JP5797822B2 - 光増幅器の配置 - Google Patents

Description

本発明は、パワーが低く、周波数が低減された、超短パルスのシードを増幅する際の使用のための光増幅装置に関し、詳細には、限定的ではないが、単結晶のスラブの活性領域において一体化された前置増幅器及び出力増幅器を有する光増幅装置に関する。

１０ｐｓ未満のパルス幅を有するレーザによって、マイクロマシニングの工業用途において新たな処理能力が提供される。しかしながら、大量な製造を可能にする処理スピードには、１００ｋＨｚから１０ＭＨｚの間のパルス繰り返し周波数（１００Ｗを超える平均パワーとともに最適な周波数に調節可能な）が必要とされる。典型的には、そのような組み合わせは、最大パルスエネルギが非線形効果とレーザ結晶への損傷とによって制限されているので、ほとんどのレーザ設計では達成できない。薄型ディスクレーザ発振器（ｔｈｉｎ ｄｉｓｋ ｌａｓｅｒ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）によって、１５０Ｗに近接するパワー（必要とされるパワー範囲の下端にある）が達成されてきた。しかし、その薄型ディスクレーザ発振器は、３．５０ＭＨｚから６０ＭＨｚの間の固定されたパルス繰り返し周波数（必要な範囲より大きい）で達成されてきたのであり、そのパルス繰り返し周波数は、平均パワーを維持しつつ特定の処理のために最適周波数に容易に調節されることはできない。

現在、ＭＯＰＡ（ｍａｓｔｅｒ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）は、必要な高い平均パワーを得るのに使用される。そのような装置では、低いパワーのレーザのマスタ発振器は、出力増幅器中に結合される必要な幅のパルスを生成する。入力パルスは増幅器中において放出を誘導し、その放出は、入力パルスに加えられ、より高い出力エネルギのパルスが作り出される。同様の出力を有する発振器内において達成され得るよりも強度及びフルエンスの両方が非常に低いので、その装置は、損傷が生じる前に、より高い出力パワー及びエネルギを達成できる。ＭＯＰＡは、今、多くの代替レーザ設計において実装されつつある。

応用振興のためのフラウンホーファー研究機構（Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ−Ｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ ｚｕｒ Ｆｏｅｒｄｅｒｕｎｇ ｄｅｒ ａｎｇｅｗａｎｔｅｎ）による特許文献１には、例えばドイツのエッジウェーブ・ゲーエムベーハー（ＥｄｇｅＷａｖｅ
ＧｍｂＨ）から商業的に入手可能なイノスラブ（ＩＮＮＯＳＬＡＢ）増幅器において見出される光増幅装置が説明されている。図１に示されるように、この装置は、矩形の結晶スラブの増幅器の媒質Ａを有する。発振器によって放出されるビームＢは、ミラーＤ，Ｅ間の経路Ｃを進行し、その経路Ｃにおいて、ビームＢは、増幅器の媒質Ａを複数回横断する。媒質Ａの各横断に伴い、ビームＢの断面はｘ方向に増大する。厚さ方向（ｔｈｉｎ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）であるｙ方向においては、ビームサイズは維持される。ｘ軸に沿った広がりは、ビームが増幅されるときにビーム強度がほぼ一定に保持されることを確実にするように選択される。横断の数は、ビームＢと、増幅器の媒質Ａとの間の重なりを最大にするように選択される。このようにして、増幅器の１回の通過を利用すると、損傷及び非線形効果についての閾値を避けつつ、蓄えられたエネルギは効率的に取り出されることが可能である。そのような装置を使用して、７６ＭＨｚの周波数で６８０ｆｓのパルス幅を有する４００Ｗの平均パワーレベルが達成されてきた。

この配置の欠点は、増幅器の最初のいくつかの通過において有効な飽和が生じることを確実にするべく、十分な入力パワーが必要とされることである。
そのような発振器−増幅器による装置を次いで第２の矩形スラブの増幅器（ここで、ビ
ームは、１回の通過において１つの横断からなる経路をなす）とカスケードする増幅システムでは、２０ＭＨｚの周波数で６１５ｆｓのパルス幅を有する１．１ｋＷに及ぶパワーレベルを達成可能である。このシステムの増幅手法でも、やはり、有効な取り出しを確実にすることは、十分な入力のシードのパワーに依存する。さらに、カスケードされる配置には、相当な空間が必要とされる。

十分な入力のシードのパワーを必要とする欠点を克服するべく、再生増幅器又は前置増幅段を使用して比較的低いシードのパワーを増幅することが提案されている。ギガフォトン株式会社（Ｇｉｇａｐｈｏｔｏｎ Ｉｎｃ．）による特許文献２には、代替のレーザ設計における再生増幅器の使用が詳述されている。図２に示す一実施形態では、１つの増幅媒質のスラブＦは、図１のように配置された増幅器Ｇ（能動媒質Ｆの複数の横断からなる通過を１回伴う）と、再生増幅器Ｈ（能動媒質Ｆの１つの横断からなる通過を複数回伴う）との複数の機能を果たすべく使用される。低いパワーのシードレーザＪは、２つのミラーＭ，Ｎから形成される共振器中に入射される。この入射信号は、光音響素子Ｋの切り替えによって導入される。次いで、ビームＢは、蓄えられたエネルギの大部分が取り出されるまで、ミラーＭ，Ｎ間の１つの横断において複数回通過する。所望のタイミングにおいて、ポッケルスセルＬは切り替えられ、ビームＢは、ポラライザＰを使用して再生増幅器Ｈから増幅器Ｇ中に出力される。その配置は、増幅器Ｇと再生増幅器Ｈとが同じ能動媒質Ｆを共有するという点で小型であるが、増幅器Ｇと再生増幅器Ｈとは、媒質Ｆにおいて互いに分離しており、概して独立の装置として動作する。

この配置の欠点は、能動構成要素を必要とすることにある。そのようなポッケルスセル及び光音響素子は、コストを増加させ、配置に対して複雑さを増加させる。

米国特許第６６５４１６３号明細書 米国特許第７９０３７１５号明細書 欧州特許出願公開第０８２１４５３号明細書 欧州特許出願公開第２４７５０５４号明細書 国際公開第８８／０９５７８号

本発明の目的は、パワーが低く、周波数が低減された、超短シードパルスのための増幅を提供する光増幅器を提供することである。
本発明の少なくとも１つの実施形態のさらなる目的は、前置増幅器と出力増幅器との部分的な結合とともに能動媒質において前置増幅器と出力増幅器とを一体化する光増幅器を提供することである。

本発明の少なくとも１つの実施形態の一層さらなる目的は、完全に受動な構成要素を使用する光増幅器を提供することである。

本発明の第１の態様によると、光増幅装置であって、長辺と短辺とを有する略矩形の断面を有する増幅媒質と、２つ以上の高反射ミラーと、を備え、増幅媒質は２つ以上の高反射ミラーの間に配置されており、断面の短辺はｘ軸に沿っており、長辺はｙ軸に沿っており、ｚ軸は光軸であり、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸は直交座標系を構成し、ミラーは、増幅されるビームがミラーの各々において１回以上反射され、増幅媒質のｘｚ平面を通じる複数の横断を含む経路を形成するように設計及び配置されており、ビームは、発振器から放出
され、前置増幅段における第１経路を２回通過し、出力増幅段における第２経路を１回通過し、第１経路と第２経路とは独立しており、増幅媒質において重なっている、光増幅装置が提供される。

ビームは、第１前置増幅経路に沿って増幅媒質を通過し、同じ第１経路に沿って戻り、次いで第２パワー増幅経路（幾分かの部分的な結合が生じるように前置増幅経路と特定箇所において重なる（ｌｏｃａｌｌｙ ｏｖｅｒｌａｐ））に沿って再び増幅媒質を通過する配置を提供することによって、そのシステムにより増幅器を通じる全ての横断の有効な飽和が確実にされることが可能である。さらに、第１前置増幅経路上においてビームを２回通過させることによって、効率的なパワーの取り出しが達成される。第２経路は第１経路と異なるので、それらの経路と増幅媒質との最大化された重なりが達成でき、これによって、パワーが低い超短パルスの最適なパワーレベルへの増幅が可能になる。

好適には、ビームは、各経路上において増幅媒質の３つ以上の横断をなす。これによって、増幅媒質を小型にすることが可能になり、したがって小さな装置が提供される。好適には、第２経路は、第１経路よりも横断が１つ以上多い。随意に、第２経路は、第１経路の少なくとも２倍多く横断する。このようにして、増幅媒質との重なりが最大化される。

好適には、光増幅器は増幅媒質の出側に位置決めされるイメージングミラーを備え、ビームは第１経路の１回目の通過の後にイメージングミラーに入射し、イメージングミラーは、前置増幅段における２回の通過を生じさせるべく、第１経路に沿ってビームを戻すように配置されている。このようにして、戻されたビームは、増幅器への入力部におけるビームの像であり、戻されたビームは、増幅器を通じるビームの第１経路に正確に重なり、これによって、同じ経路の２回通過が確実になる。その経路に沿った利得が十分高ければ、第２経路によって、飽和と効率的な取り出しとが確実になる。

好適には、光増幅器は、増幅媒質の入側に位置決めされる第１レンズ及び第２レンズを備え、第１及び第２レンズは、倍率１の望遠鏡を形成するように配置される。このようにして、ビームは、前置増幅段を出ると、望遠鏡を通じて出力増幅段への入力ビームを形成できる。

好適には、光増幅器は、複数の偏光素子を備える。好適には、第１偏光素子は、増幅媒質の出側においてイメージングミラーに近接して位置決めされる。より好適には、第１偏光素子は、１／４波長板である。このようにして、増幅媒質を出る直線偏光ビームは、円偏光へと変換されることができ、イメージングミラーにおいて反射することができ、再び１／４波長板を通過する時、円偏光は、第１経路の１回目の通過におけるビームの偏光に垂直な方向の直線偏光へと変換される。

好適には、第２偏光素子は、増幅媒質の入側に位置決めされる。より好適には、第２偏光素子は偏光キューブである。好適には、偏光キューブは、発振器によって放出される入力ビームがキューブを通過するように配置される。このようにして、入力ビームは、その直線偏光を所望の向きに定められることができる一方、前置増幅段からの戻されたビームは、キューブにおいて反射される。戻されたビームのこの反射によって、出力増幅段のために第１経路とは異なる経路上へビームが増幅媒質中に配向されることが可能になる。

有利には、第２偏光素子と第１レンズとは、発振器によって放出される入力ビームを前置増幅段のために増幅媒質中に結合させるように配置される。より好適には、偏光キューブは、第１レンズと第２レンズとの間に配置される。これによって、小型な配置が提供される。さらに好適には、リターンミラーは、第２偏光素子と第２レンズとの間に位置決めされる。リターンミラーは、出力増幅段のためにビームを増幅媒質中に戻す。第１レンズ
と第２レンズとの間のリターンミラーの使用によって、望遠鏡は効果的に折り曲げられ、これによって、配置がより小型になる。

一実施形態では、光増幅器は、該光増幅器への入力部に配置されるパルスピッカを備える。このようにして、パルスは、発振器の入力ビームから捨てられることができて周波数が低下させられ、これによって、平均入力パワーが低下させられる。したがって、周波数の最適化が、特定の平均パワーに関して達成されることが可能である。

好適には、高反射ミラーは平面ミラーである。このようにして、ビームは、経路の各横断上においてｙ方向にミラーを横切るように調整されることが可能である。したがって、ミラー間においてジグザグ経路が形成される。あるいは、高反射ミラーは、球面ミラー、円筒ミラー、及び２つの直交軸に沿った曲率が異なるミラーからなる群から選択されてもよい。好適には、高反射ミラーは、非平行に配置される。

好適には、増幅媒質は、矩形の形状及び断面のスラブである。好適には、増幅媒質は、光励起される単結晶のスラブである。スラブは、２つのドープされていない能動媒質の間にドープされた能動媒質が配置されている結晶サンドイッチ構造により形成されてもよい。

あるいは、増幅媒質は、長辺と短辺とを有する矩形の断面を有する、スラブ放電を提供するように矩形電極間において励起させられる気体であってもよい。

光増幅器の先行技術の配置を示す概略図。 別の光増幅器の先行技術の配置を示す概略図。 本発明の実施形態による光増幅器を示す概略図。 図３の光増幅器の前置増幅段を示す概略図。 図３の光増幅器の出力増幅段を示す概略図。 本発明のさらなる実施形態による光増幅器を示す概略図。 本発明の一実施形態による光増幅器において、前置増幅段と、一体化された前置増幅段及び出力増幅段とからの出力パワーに関する入力のシードのパワーのプロットを示す図。

本発明の実施形態は、例としてのみ、ここで説明される。
最初に図面の図３を参照する。図３には、一般に参照符号１０によって示される光増幅器を示す。ここで、本発明の一実施形態では、パワーが低く、連続波（ＣＷ）又はパルスの発振器（図示せず）から放出されるビーム１２は、第１経路１６（増幅媒質１４を２回通過する）により増幅媒質１４を通過することによって増幅され、第２経路１８（増幅媒質１４を１回通過する）により増幅媒質１４を通過することによって増幅される。各経路上において、ビーム１２は、ミラー２０，２２（各々、増幅媒質１４のエントリ側２４及び対向する出側２６に対して配置される）における反射によって増幅媒質１４を複数回横断する。

増幅媒質１４は、単結晶のスラブ（断面において矩形であり短辺及び長辺を有する）である。断面の短辺はｘ軸に沿っており、長辺はｙ軸に沿っており、ｚ軸は光軸であり、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸は、直交座標系を構成する。図１において、長辺が示されている。一実施形態では、増幅媒質は、２つのドープされていない矩形断面に挟まれたドープした能動媒質を有する結晶の構造物である。本技術分野において既知であるが、増幅媒質１４は、光学的にポンピングされ、能動利得領域を与える。このポンピングは、レーザダイオー
ドのアレイによる場合がある。代替の実施形態では、増幅媒質は、スラブのガス放電によって作り出される。これは、典型的には、２つの矩形平面であり平行に配置された電極間において励起させられるＣＯ_２等のガスである。

ミラー２０，２２は、パワーの最大量が光増幅器１０を通じて伝達されるように高反射である。ミラー２０，２２は、ビーム１２をｙ方向に面を横切らせる（‘ｗａｌｋ’ ａｃｒｏｓｓ）のに十分な直径を有する平面である。ミラーは、増幅媒質１４の第１端部２８及び第２端部３０に面するように配置されており、ミラー２０，２２のいずれかについての端を切り取ることなくビームが各端部２８，３０を入ったり出たりできるようにずらされている。ミラー２０，２２は、端部２８，３０に対して平行に配置される場合がある一方、シードビームに関連しないミラー間のレーザ発振の可能性を低減するべく、傾斜角が導入されてもよい。この発振によって、シードビームのために利用可能な蓄えられたエネルギが低減させられるであろうし、また、得ることのできる出力パワーが低減させられるであろう。代替の実施形態では、ミラー２０，２２は、球面状であったり、円筒状であったり、又は２つの直交軸（典型的にはｘ及びｙ）に沿った曲率が異なる。好適には、高反射ミラーは、非平行に配置される。

ミラー２０，２２は、エントリ側において増幅媒質１４に入るビーム１２がミラーの各々において少なくとも１回反射して、ｘｙ平面において増幅媒質１４を通じる複数の横断３２からなる経路を形成するように配置される。各横断は異なる位置に存在し、これによって、ビーム１２が増幅媒質１４を通じて進行するときに各反射について異なる位置において各ミラー２０，２２に入射する。複数の横断３２からなる経路は、媒質１４を通じるジグザグ型として現れる。ビームサイズと増幅器１０の幾何学的配置とは、ビーム１２の経路が媒質１４の大部分と重なるように選択されることが可能であることが認められる。

イメージングミラー３４は、増幅媒質１４の出側２６において位置決めされており、ビーム１２は、第１経路１６の１回目の通過の後、イメージングミラー３４に入射する。イメージングミラーは、ビーム１２を正確にそれ自身の上に戻すように選択された曲率半径を有する球面ミラーである。このようにして、ビーム１２は、２回目の通過として増幅媒質１４を通じて戻される。その戻されたビームは、増幅器１０に対する入力部２４におけるビームの像であり、増幅器１０を通じてビームの第１経路１６と正確に重なり、同じ経路１６の２回の通過を確実にする。

イメージングミラー３４に近接して位置決めされるのは、１／４波長板４０である。１／４波長板４０は、直線偏光の光を円偏光の光に変換したり、円偏光の光を直線偏光の光に変換したりする標準的な偏光素子である。増幅媒質１４を出る直線偏光ビーム１２は、円偏光へと変換され、イメージングミラー３４において反射し、再び１／４波長板４０を通過する時に変換されて直線偏光へと戻される。しかし、その直線偏光は、ビーム１２が増幅媒質１４を出た時のビーム１２の偏光に垂直の方向である。

増幅媒質１４のエントリ側２４において、発振器又は他のレーザシードから放出された偏光したビーム１２は、増幅器１０へと入力される。エントリ側に配置されているのは、偏光キューブ４２及びリターンミラー４４とともに第１レンズ３６及び第２レンズ３８である。偏光キューブ４２は、入力ビーム１２が偏光キューブ４２を通過するときに入力ビーム１２の偏光に影響を与えず、経路１６に配置されているレンズ３６は、ビーム１２を増幅媒質１４中に結合させるのに使用されることが可能である。偏光キューブ４２は、増幅媒質１４の２回通過を完了した戻されたビーム１２が完全に反射されるように配置される。反射したビームはリターンミラー４４に向かって配向され、そのリターンミラー４４は、第１経路１６とは異なっており独立した第２経路１８上へと増幅媒質１４中にビーム１２を送り返すように配置されている。リターンミラー４４と増幅媒質１４との間には、
第２レンズ３８が配置されている。第１レンズ３６及び第２レンズ３８は、倍率１の望遠鏡を形成するように配置される。このようにして、ビームは、増幅媒質１４中に戻される。

使用の際、直線偏光のシードの入力ビーム１２が提供される。これは、パワーが低く、連続波又はパルスの発振器（図示せず）等のソースによって提供され、その発振器は、増幅媒質１４中への光結合のための適した光学系（図示せず）を使用するような状態にされていてもよい。増幅器１０へ入ると、ビーム１２は、前置増幅段４６を進行する。これは、前置増幅段４６に関連する図３の部分である図４において最もよく示されている。類似の部分は、明確さの役に立つように同じ参照符号が与えられている。

増幅材料１４の薄い結晶スラブは、薄い利得シートを作り出すべく、レーザダイオードを用いてポンピングされている。結晶増幅材料１４内では、ビーム１２は、熱により生成されたレンズによってｘ方向（厚さ軸としても知られる）に閉じ込められている一方、ビーム１２は、ｙ方向において自由に発散する（幅の軸としても知られる）。ビーム１２は、ビーム１２が複数回の跳ね返りをするミラー２２に入射するまで、一般に、ｚ方向に進行し続ける。ミラー２２の傾斜角によって、ビーム１２は第２の方向に沿って配向され、ビーム１２がミラー２０に入射するまで結晶１４を通じて横断する。次に、ミラー２０によって、ビーム１２はさらなる方向に沿って結晶１４を通じて再配向され、ミラー２２の上方における結晶１４の端部３０を通過することによってビーム１２が増幅媒質１４を出るまで、再び結晶１４を横断する。ビーム１２は、増幅媒質１４の３つの横断３２をなす１回の通過により、増幅媒質１４を通じる第１経路１６を進行する。

次に、ビーム１２は、両軸に沿って自由に発散した後、ビームの最初の直線偏光を円偏光へと変換する１／４波長板４０を通過する。次に、ビーム１２はイメージングミラー３４に衝突した後、再び１／４波長板４０を通過し、その１／４波長板４０は、ビーム１２が増幅器１０に入力された時の偏光に対して垂直な方向に沿って向けられた直線偏光へとビームの円偏光を変換する。イメージングミラー３４は、増幅器１０への入力部におけるビーム１２の像としてビーム１２が反射されることを確実にするように選択される。このようにして、反射されたビーム１２は、増幅材料１４を通じて反対に第１経路１６に正確に続くことが可能であり、経路１６の２回通過を確実にする。１回目の通過に沿った利得は、十分に高く、これによって、２回目の通過により、飽和と効率的な取り出しとが確実になる。次にビーム１２は、ビーム１２が入力された時と同じ位置において、端部２４を通じて増幅材料１４を出る。増幅システム１０の経路１６に沿った最初の２回通過は、前置増幅段４６を構成する。

図３に戻って、ビーム１２は、増幅材料１４から出て進行し続け、第１レンズ３６を通過した後、偏光キューブ４２に衝突する。１／４波長板４０においてビームに生じた偏光の回転によって、ビーム１２は偏光キューブ４２において内部で反射される。偏光キューブ４２によって、ビーム１２はリターンミラー４４へと再配向され、リターンミラー４４は、ビーム１２を別の方向に反射し、ビーム１２を第２レンズ３８に通過させる。第１レンズと第２レンズとは倍率１の望遠鏡を形成し、それによって前置増幅段４６からの出力の像を、増幅材料１４中に、また出力増幅段４８中に戻す。

出力増幅段４８では（この段４８に関連する図３の部分である図５において示されている）、第１に、ビーム１２は、ｚ方向に沿って増幅材料１４において伝搬し、この場合、増幅材料１４の側部５０に平行である。ｘ方向、すなわち厚さ方向では、ビーム１２は、また、熱により生成されたレンズによって封じ込められている一方、幅方向（ｗｉｄｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）、すなわちｙ方向では、ビーム１２は自由に発散する。端部３０において１つ目の横断３２の後に増幅媒質１４を出ると、ビーム１２は、ミラー２２に衝突
し、増幅材料１４を通じて再配向された後、ミラー２０に衝突しさらなる再配向される。複数の跳ね返り（この場合、６回の跳ね返り）は、ミラー２０とミラー２２との間で生じ、ビーム１２は、増幅材料１４を通じた７つの横断ができ、第２経路１８をたどる。増幅媒質１４を通じたこの１回通過は、ビーム１２が増幅媒質１４の遠端５２において結合を外れるときに終了する（ミラー２２の端５４の上方を通過する）。典型的には、増幅材料１４の７つ（示されているように）及び９つのいずれかの横断によって、ビーム１２が進み続けてミラー５４の頂端５４を切り取ることなく、ビーム１２の増幅材料１４との重なりを最大にするように選択された横断３２の数を有する経路１８が作り出される。増幅システム１０を通じる第２経路１８は、出力増幅段４８と称され、前置増幅段４６において含まれてない区域からのエネルギの取り出しが最大化されることを確実にするように設計される。

第２経路１８は、第１経路１６と同じ増幅媒質の空間体積を横断することが注意される。経路１６，１８は、増幅媒質１４において重なると考えられ得るが、増幅媒質１４に入る異なる角度によって、互いに独立しており別個である。図３に示されるように、ビーム１２の増幅媒質１４中への光結合は、前置増幅段４６及び出力増幅段４８の両方において同じ入る地点で媒質１４に入るビームを用いて達成できる。

ここで図面の図６を参照すると、パルスのシードレーザ（図示せず）と偏光キューブ４２との間の入力部においてパルスピッカ５６を含む増幅器１０が示されている。超短パルスにおいて高いパルスエネルギを得るためには、パルス繰り返し率を低減させることが頻繁に必要であることが知られている。これは、シードレーザと増幅器１０との間にパルスピッカ５６を置くことによって、達成可能である。次に、増幅器１０は、求められるパルスにのみ作用する。シードレーザの平均パワーは、増幅器１０の平均出力パワーと比較して小さいので、遮られたパルスは、必ずしも激しい損失を構成せず、また、残部の平均パワーは、増幅器１０を飽和させるのに十分である。この実施形態では、唯一の能動構成要素はパルスピッカであり、他の構成要素の全ては完全に受動である。

一体化された前置増幅器４６と出力増幅器４８とを有する光増幅器１０の例では、入力のシードのパワーは、０から３５ｍＷの間から変化しており、ビームは、各々が９０Ｗを放出する４つのダイオードバー（図示せず）を用いてポンピングされた薄いスラブの出力増幅器１４中に結合していた。幾何学的配置は、３つの横断３２からなる第１経路１６（ビーム１２は、前置増幅段４６において２回通過する）と、出力増幅段４８についての１回通過における７つの横断３２からなる第２経路とを提供するように配置されていた。連続波のファイバ結合型レーザを用いた以前の１回通過の測定によって、同様の条件下で約１．５ｃｍ^−１の小信号利得係数が実証されていた一方、発信器における結晶増幅媒質１４の使用によって、１４５Ｗが生成されていた。

図７を参照すると、０から５Ｗの範囲の前置増幅器の出力パワー６２と、０から５０Ｗの範囲の出力増幅器の出力パワー６４とに関して、０から３５ｍＷの範囲の入力のシードのパワー６０についてのプロットが示されている。前置増幅器からの出力パワーは、出力増幅器の開始の前のものである。出力増幅器の出力パワーは、７つの横断の出力増幅器に関する増幅器からのものである。全ての点は、出力増幅器からの出力パワーにおいて前置増幅器を超える増大を示している一方、入力のシードが３３ｍＷから５ｍＷに低減させられた場合、出力増幅器の出力における低減（〜３０％）と比べて、前置増幅器の出力における非常に大きな低減（〜６５％）が存在する。このことによって、その設計における前置増幅器の重要性が実証されている。前置増幅器によってシードに加えられる追加のパワーは、出力増幅器を有効に飽和させるのに十分であり、これによって、シードに関して影響の受けにくさ（ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｉｎｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）がもたらされる。例えば、シードのパワーにおける５０％の低減は、増幅器の出力においては１０％の低減
にしかならない。

さらなる実証では、５０Ｗのパワー出力は、７つの横断の出力増幅器を使用して３０ｍＷの連続波のシードのパワーを用いて達成された。これは、前置増幅を有さないシステムにおいて３０ｍＷのシードのパワーを用いて達成される１７Ｗの出力よりも約３倍高い。出力ビームは、Ｍ^２＜１．３の値を有し、ガウシアン様と観測された。増幅器が９つの横断の出力増幅器を用いて動作させられた場合、パワー出力は７０Ｗであった一方、ガウシアン様の出力ビーム及びＭ^２＜１．３のビームの品質はなおも維持された。

以上の例から見ることができるが、前置増幅段４６を増幅媒質１４内に含めることは、有効な飽和に必要なパワーを非常に下回るシードの入力は前置増幅段４６を使用して増幅されることを意味する。前置増幅段４６からの出力パワーは、１５ｍＷの低さまでのシードのパワーについて、出力増幅器４８の有効な飽和を確実にするのに十分高い。次に、出力増幅器４８からの出力パワーは、シードパワーにおける増大によってほとんど影響を受けない。

この動作の性能の効果（ｒａｍｉｆｉｃａｔｉｏｎ）は、超短パルスを使用して行われる処理のためのパルスパラメータを最適化する場合、特に重要である。シードが固定された周波数であり５Ｗまでの大きくない平均パワーの従来のシステムでは、パルスピッカは、必要とされる値に周波数を低減するべく、多くの近接するパルスを捨てるのに使用され、したがって、従来のシステムでは、平均出力パワーも非常に低減させられ得る。同様の入力基準が図６に示されている増幅器に対して適用された場合、典型的には、パルスピッカの後の増幅器１０からの出力パワーは、シードから放出される出力パワーの０．１％から１０％の領域における量に低減させられ得る。したがって、本発明の増幅器によって、必要とされるスピードで工業上の処理を可能にする十分に高い平均パワーへの増幅を確実にできる。

本発明の本質的な利点は、効率的な大量製造過程のために必要なレベルの出力パワーを生成する、パワーが低く、周波数が低減された、超短シードパルスを増幅するための光増幅器が本発明によって提供されることである。

本発明のさらなる利点は、前置増幅器と出力増幅器とを部分的に結合させることにより能動媒質において前置増幅器と出力増幅器とを一体化させる光増幅器（比較的低いコストで小型の装置を提供する）が本発明によって提供されることである。

本発明の一実施形態のなおもさらなる利点は、完全に受動の構成要素を使用する光増幅器が本発明の一実施形態によって提供されることである。
本発明の範囲から逸脱することなく本明細書に記載の発明に対して様々な修正がなされ得ることが当業者によって認められる。例えば、安定又は不安定のビームは、適切な光学系を選択したり、増幅媒質内においてビームを操作したりすることによって作り出されることができる。ビームを操作するべく、薄い増幅媒質の使用によって、十分な加熱を用いて、熱レンズが生成されることが可能である。ガイドが全内部反射よってなされ熱レンズが避けられるように、加熱の低減を可能にする屈折率導波構造（ｉｎｄｅｘ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）が使用される場合がある。

Claims (20)

1. 光増幅装置であって、
   長辺と短辺とを有する矩形の断面を有するとともに、前記断面と直交する方向において互いに反対側に位置する入側及び出側を有し、発振器から放出されるビームが前記入側に入射する増幅媒質と、
   ２つ以上の高反射ミラーと、を備え、前記増幅媒質は前記２つ以上の高反射ミラーの間に配置されており、
   前記断面の前記短辺はｘ軸に沿っており、前記長辺はｙ軸に沿っており、ｚ軸は前記断面に垂直であり、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸は直交座標系を構成し、
   前記発振器から放出される前記ビームが、前記増幅媒質を通過する複数の横断を含むジグザグ状の経路を形成するように前記２つ以上の高反射ミラーの各々において１回以上反射され、前記ジグザグ状の経路は、前置増幅段における第１経路と、出力増幅段における第２経路とを含み、前記ビームは、前記前置増幅段における第１経路を２回通過し、前記出力増幅段における第２経路を１回通過し、前記第１経路と前記第２経路とは互いに別個の経路であり、前記増幅媒質において重なっている、光増幅装置。
2. 前記第１経路及び前記第２経路は、前記ビームが前記増幅媒質を３回以上横断するように形成される、請求項１に記載の光増幅装置。
3. 前記第２経路は、前記第１経路よりも横断が１回以上多い、請求項１又は２に記載の光増幅装置。
4. 前記増幅媒質の前記出側に位置決めされるイメージングミラーをさらに備え、前記ビームは前記第１経路の１回目の通過の後に前記イメージングミラーに入射し、前記イメージングミラーは、前記前置増幅段における前記２回の通過を生じさせるべく、前記第１経路に沿って前記ビームを戻すように配置されている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光増幅装置。
5. 光増幅器は、前記増幅媒質の前記入側に位置決めされる第１レンズ及び第２レンズを備え、前記第１及び第２レンズは、倍率１の望遠鏡を形成するように配置され、前記ビーム
   は、前記前置増幅段を出ると、前記望遠鏡を通じて前記出力増幅段への入力ビームを形成する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光増幅装置。
6. 光増幅器は、第１偏光素子と第２偏光素子とを備える、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光増幅装置。
7. 前記第１偏光素子は、前記増幅媒質の前記出側において前記イメージングミラーに近接して位置決めされる、請求項４を引用する請求項６に記載の光増幅装置。
8. 前記第１偏光素子は、１／４波長板である、請求項７に記載の光増幅装置。
9. 前記第２偏光素子は、前記増幅媒質の前記入側に位置決めされる、請求項６乃至８のいずれか一項に記載の光増幅装置。
10. 前記第２偏光素子は偏光キューブである、請求項９に記載の光増幅装置。
11. 前記増幅媒質の前記入側に配置される偏光素子をさらに備え、前記偏光素子と前記第１レンズとは、前記発振器によって放出される入力ビームを前記前置増幅段のために前記増幅媒質中に結合させるように配置される、請求項５に記載の光増幅装置。
12. 前記偏光素子は、偏光キューブであり、該偏光キューブは、前記第１レンズと前記第２レンズとの間に配置される、請求項１１に記載の光増幅装置。
13. 前記出力増幅段のために前記ビームを前記増幅媒質中に戻すように、前記偏光キューブと前記第２レンズとの間にリターンミラーが位置決めされる、請求項１２に記載の光増幅装置。
14. 光増幅装置の前記入側に配置されるパルスピッカを備える、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の光増幅装置。
15. 前記高反射ミラーは平面ミラーである、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の光増幅装置。
16. 前記高反射ミラーは、球面ミラー、円筒ミラー、及び２つの直交軸に沿った曲率が異なるミラーからなる群から選択される、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の光増幅装置。
17. 前記増幅媒質は、矩形の形状及び断面のスラブである、請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の光増幅装置。
18. 前記増幅媒質は、光励起される単結晶のスラブである、請求項１７に記載の光増幅装置。
19. 前記スラブは、２つのドープされていない能動媒質の間にドープされた能動媒質が配置されている結晶サンドイッチ構造により形成される、請求項１８に記載の光増幅装置。
20. 前記増幅媒質は、長辺と短辺とを有する矩形の断面を有する、スラブ放電を提供するように矩形電極間において励起させられる気体である、請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の光増幅装置。

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