JP6060341B2

JP6060341B2 - 安定化されたフェムト秒パルスレーザ及び安定化方法

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Publication number: JP6060341B2
Application number: JP2013545477A
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Inventors: オリヴィエゴベール; ミシェルコント; ピエール‐マリポール; ジャン‐フランソワエルゴト
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Description

本発明の技術分野は超短パルスレーザ（フェムト秒領域）に関する。詳細には、本発明は、キャリア周波数及びエンベロープ周波数によって特徴付けされるフェムト秒（ｆｓ）パルスレーザに関する。更に詳細には、本発明は、フェムト秒レーザパルス列のキャリア周波数とエンベロープ周波数との間の位相ドリフトを安定化させる手段に関する。

約２０年にわたって、短パルスレーザの研究開発は著しい発展を遂げてきた。得られたパルス持続時間は、現在ではフェムト秒領域にある。同時に、チャープパルス増幅の技術の発展により、ほぼペタワット程度の非常に大きな最大出力に到達することができる（Ｄ．Ｓｔｒｉｃｋｌａｎｄ、Ｇ．Ｍｏｕｒｏｕの「増幅されたチャープ光パルスの圧縮」、Ｏｐｔｉｃｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ、５５巻、６号、１９８５年１０月１５日、頁４４７−４４９、及びＯｐｔｉｃｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ、５６巻、３号、１９８５年１２月１日、頁２１９−２２１）。

このタイプの供給源に関する１つの研究は、図１に概略的に示すような、所謂エンベロープとキャリアとの間の位相ドリフト現象に関連する。レーザによってもたらされる光波は電磁波であり、その電場は、所定の周波数での波であるキャリア波（５０）とエンベロープ関数（６０）の積によって表すことができる。キャリア波（５０）の周波数は、レーザの波長に直接結び付くが、一方でエンベロープ（６０）は、パルス持続時間及びパルス繰り返し周波数（ｆ_ｒｅｐ）を特徴付けることができる。エンベロープ（６０）の伝播速度は群速度と呼ばれ、エネルギーの伝播速度に対応する。このキャリア周波数（５０）は位相速度と呼ばれる。分散性媒質において、群速度及び位相速度は一般に互いに異なり、エンベロープ内部のキャリア振幅の時間的ドリフトを引き起こす場合がある（図１参照）。

比較的「長い」、すなわち例えばナノ秒の程度のパルス持続時間に関して、各パルスは多数回の光学サイクル（３．１０^５程度の可視スペクトル）を含み、キャリア周波数とエンベロープ周波数との間のドリフトはそれほど重要ではない。超短レーザパルスの場合、対照的に、光学サイクルの回数はそれほど多くなく（図１参照）、エンベロープ内のキャリアの時間位置は、特定の物理現象に著しく影響される場合があり、これは電場の影響を受けるが電場エンベロープの影響は受けない（Ａ．Ｂａｌｔｕｓｋａ他、「強い光照射野による電子プロセスのアト秒制御」Ｎａｔｕｒｅ４２１−２００３）。

電場の最大値が、所定パルスに関するエンベロープの最大値の位置に一致する場合、このことはもはや後続のパルスに当てはまらない可能性がある。この場合、シフトはキャリアの位相シフトΔφに対応し、頭字語ＣＥＰ（キャリアエンベロープ位相）でも示される。位相シフトΔφは、レーザの光学経路上で様々な原因による外乱の発生に従って、時間と共に変化する場合がある（振動、物質の屈折率の変動）。時間関数としての位相シフトΔφの変動、つまりＣＥＰ変動は、「エンベロープ周波数とキャリア周波数との間の位相ドリフト」と呼ばれる。例えば、このことは、５から７ｆｓの間に含まれる、ショットバイショット（ｓｈｏｔｂｙｓｈｏｔ）のパルス持続時間に関するＣＥＰのランダム変動の測定を説明する、Ｎｉｓｏｌｉ他の刊行物に示される（「単ショット、高次高調波スペクトラムにおける少数の光サイクルの光パルスのキャリア−エンベロープ位相差の作用」Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔｅｒｓ，９１巻、２１号、２００３年）。他の例は、Ｚ．Ｃｈａｎｇの刊行物（「回折格子ベースの伸長器及び圧縮器に起因するキャリア−エンベロープ位相シフト」ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ、４５巻、３２号、２００６年）に説明され、ここではＣＥＰドリフトへの回折格子ベースの伸長器又は圧縮器の影響が評価される。

本明細書で検討する技術的問題は、一般に、超短レーザパルスのエンベロープ周波数とキャリア周波数との間の位相ドリフトの安定化及び制御に関する。

特定の状况ではＣＥＰドリフトが存在しない光学パラメータ式発振器の特定の事例とは別に（Ａ．Ｂａｌｔｕｓｋａ他、「光パラメトリック増幅器を用いた超短光パルスのキャリア−エンベロープ位相の制御」ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ、８８巻、１３号、２００２年４月１日）、ＣＥＰ補正の種々の技術が存在するが、これはｆ−２ｆ干渉計を含む遅延的フィードバックループ（ｓｌｏｗｆｅｅｄｂａｃｋｌｏｏｐ）に基づくものである（Ｋａｋｅｈａｔａ他「１００−Ｈｚの増幅されたレーザパルスのキャリア−エンベロープ位相変化の測定」ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＢ．７４、Ｓ４３−Ｓ５０２００２）。これらは２つのカテゴリに分類できる。

第１のカテゴリは、モードロック発振器に関連し、補正はキャビティの特定のパラメータに従って行われる（Ｊｏｎｅｓ他の「フェムト秒のモードロックレーザキャリア−エンベロープ位相制御及び直接的な光周波数合成」Ｓｃｉｅｎｃｅ２８８、６３５、２０００）。この方法は、単一の制御ループで、レーザビームの後続パス上の外乱に関連するキャビティ下流の予想されるＣＥＰ変動の補正を可能にしないことに留意されたい。

第２のカテゴリは、前述の発振器の安定性を前提とし、一般に増幅の前にキャビティ下流で行われる補正に対応する。使用される主たる手法を以下に説明する。
−分散性材料の中での一対のプラズマプレートの使用である。各プレートの機械的移動により、ＣＥＰを改良することができる（Ｃ．Ｇｒｅｂｉｎｇ他の「等時間隔的及び等分散的キャリア−エンベロープ位相シフト補償器」、ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＢ９７、頁５７５−５８１、２００９年）。しかしながら、機械的移動の必要性は、比較的緩慢な位相ドリフトの補正のみを可能にする。
−圧縮器又は伸長器のパラメータの修正であり、このパラメータは、２つの回折格子、又は２つのプリズムの間の距離とすることができる（Ｃｈａｎｇの「回折格子ベースの伸長器及び圧縮器により引き起こされるキャリア−エンベロープ位相シフト」ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ、４５巻、３２号、２００６、頁８３５０−８３５３）。ここでも同様に、干渉計精度の機械的移動の必要性は、デバイスの速度を制限する。
−音響光学プログラム可能分散フィルタ（ＯＡＰＤＦ）の使用である（Ｐ．Ｔｏｕｒｎｏｉｓの「レーザシステムのグループ遅延時間分散の適用補償するための音響光学プログラム可能分散フィルタ」、Ｏｐｔｉｃｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ１４０２４５−２４９（１９９７））。このような音響光学分散フィルタによって、速い応答時間（ｋＨｚ）でプログラム可能位相シフトを引き起こすことができるが、このデバイスは高価である。
−液晶マトリクス（空間光調整器）を備える４ｆシステムの使用である（Ｍ．Ｋａｋｅｈａｔａ他の「アクティブキャリア−エンベロープ位相シフタとしての４ｆパルス成形器の使用」、Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｐａｐｅｒ、ＣＬＥＯ２００４、ＣＴｕＰ、ＣＴｕＰ３１）。応答時間は重要であり、ショットバイショットでＣＥＰドリフトを補正できない。

Ｄ．Ｓｔｒｉｃｋｌａｎｄ、Ｇ．Ｍｏｕｒｏｕの「増幅されたチャープ光パルスの圧縮」、Ｏｐｔｉｃｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ、５５巻、６号、１９８５年１０月１５日、頁４４７−４４９Ｏｐｔｉｃｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ、５６巻、３号、１９８５年１２月１日、頁２１９−２２１Ａ．Ｂａｌｔｕｓｋａ他の「強い光照射野による電子プロセスのアト秒制御」Ｎａｔｕｒｅ４２１−２００３Ｎｉｓｏｌｉ他の「単ショット、高次高調波スペクトラムにおける少数の光サイクルの光パルスのキャリア−エンベロープ位相差の作用」Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔｅｒｓ，９１巻、２１号、２００３年Ｃｈａｎｇの「回折格子ベースの伸長器及び圧縮器に起因するキャリア−エンベロープ位相シフト」ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ、４５巻、３２号、２００６年Ａ．Ｂａｌｔｕｓｋａ他の「光パラメトリック増幅器を用いた超短光パルスのキャリア−エンベロープ位相の制御」ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ、８８巻、１３号、２００２年４月１日Ｋａｋｅｈａｔａ他「１００−Ｈｚの増幅されたレーザパルスのキャリア−エンベロープ位相変化の測定」ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＢ．７４、Ｓ４３−Ｓ５０２００２Ｊｏｎｅｓ他の「フェムト秒のモードロックレーザキャリア−エンベロープ位相制御及び直接的な光周波数合成」Ｓｃｉｅｎｃｅ２８８、６３５、２０００Ｃ．Ｇｒｅｂｉｎｇ他の「等時間隔的及び等分散的キャリア−エンベロープ位相シフト補償器」、ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＢ９７、頁５７５−５８１、２００９年Ｃｈａｎｇの「回折格子ベースの伸長器及び圧縮器により引き起こされるキャリア−エンベロープ位相シフト」ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ、４５巻、３２号、２００６、頁８３５０−８３５３Ｐ．Ｔｏｕｒｎｏｉｓの「レーザシステムのグループ遅延時間分散の適用補償するための音響光学プログラム可能分散フィルタ」、Ｏｐｔｉｃｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ１４０２４５−２４９（１９９７）Ｍ．Ｋａｋｅｈａｔａ他の「Ｕｓｅｏｆａｐｕｌｓｅｓｈａｐｅｒａｓａｎａｃｔｉｖｅアクティブキャリア−エンベロープ位相シフタとしての４ｆパルス成形器の使用」Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｐａｐｅｒ、ＣＬＥＯ２００４、ＣＴｕＰ、ＣＴｕＰ３１

本発明の１つの目的は、高い繰り返し周波数（ｋＨｚからＭＨｚ程度）で作動する高エネルギーのチャープパルス増幅レーザに適用可能であり、低コストのＣＥＰの安定化のための装置及び方法を提供することである。

本明細書では、「高エネルギーレーザパルス」は、ナノジュールよりも大きなエネルギーを有するレーザパルスを意味する。

詳細には、本発明は、エンベロープ周波数とキャリア周波数との間の位相ドリフトに関して安定化された、高エネルギーのフェムト秒パルスレーザに関し、このレーザは、エンベロープ周波数及びキャリア周波数を有する入力レーザパルス列を発生するように構成される、増幅されることになるレーザパルスの供給源と、入力レーザパルスを時間伸長するように構成される伸長手段、伸長されたレーザパルスを増幅するように構成される光増幅手段、及び増幅されたレーザパルスを時間圧縮するように構成される圧縮手段を含むチャープパルス増幅手段と、出力レーザパルスのエンベロープ周波数とキャリア周波数との間の位相ドリフトを制御する手段と、を備える。本発明によれば、エンベロープ周波数とキャリア周波数との間の位相ドリフトを制御する手段は、レーザパルスの光学経路に配置されて、出力レーザパルスのエンベロープ周波数とキャリア周波数との間の位相ドリフトを時間の関数として安定化する、電気光学調整手段を備える。

本発明の第１の実施形態によれば、電気光学調整手段は、横ポッケルス効果電気光学位相調整器を備える。

本発明の第１の実施形態の特定の態様によれば、
−レーザは、レーザパルスの偏光方向に対するポッケルス効果調整器の正常光軸及び／又は異常光軸を角度方向に位置合わせする手段を更に備え、
−ポッケルス効果調整器は、チャープパルス増幅手段の光学経路に配置される。

本発明の第２の実施形態によれば、伸長手段及び／又は圧縮手段は、少なくとも１つのプリズムを備え、電気光学調整手段は、それぞれプリズムの両面に配置される複数の電極と、プリズムの屈折率を調節するように電極の端子に電場を印加する手段を備える。

本発明の第２の実施形態の特定の態様によれば、伸長手段及び／又は圧縮手段は、光学ビームの空間オフセットを補償するように配置された２つのプリズムをそれぞれ備え、電気光学調整手段は、それぞれ２つのプリズムの両面に配置される複数の電極と、電極の端子に電場を印加する手段を備え、２つのプリズムの屈折率を調節するようになっている。

本発明の種々の特定の態様によれば、
−電気光学調整手段は、数Ｈｚから数ＭＨｚの間の作動周波数を有し、
−レーザは、出力レーザパルスのエンベロープ周波数とキャリア周波数との間の位相ドリフトを時間の関数として測定する手段を更に備え、及び／又は
−レーザは、エンベロープ周波数とキャリア周波数との間の位相ドリフトの測定値の関数として、電気光学手段によって引き起こされる調整を調節するためのフィードバックループを更に備える。

また、本発明は、高エネルギー（ナノジュールよりも大きい）フェムト秒パルスレーザのエンベロープ周波数とキャリア周波数との間の位相ドリフトを安定化させる方法に関し、本方法は、
−エンベロープ周波数及びキャリア周波数を有する入力レーザパルス列を発生する段階と、
−入力レーザパルスをチャープパルス増幅する段階であって、該段階は、入力レーザパルスを時間伸長する段階と、伸長されたレーザパルスを光学増幅する段階と、伸長及び増幅されたレーザパルスを時間圧縮する段階とを含み、
−チャープパルス増幅する段階は、出力レーザパルスのエンベロープ周波数とキャリア周波数との間の位相ドリフトを安定化する段階を含む。

本発明による方法によれば、エンベロープ周波数とキャリア周波数との間の位相ドリフトを安定化する段階は、出力レーザパルスのエンベロープ周波数とキャリア周波数との間の位相ドリフトを安定化するために時間の関数として光学部品を電気光学調整する段階を含む。

本発明の特定の態様の方法によれば、本方法は、
−出力レーザパルスのエンベロープ周波数とキャリア周波数との間の位相ドリフトを時間の関数として測定する段階と、
−エンベロープ周波数とキャリア周波数との間の位相ドリフトの測定値の関数として、フィードバック電気光学位相調整を調節する段階と、
を更に含む。

また、本発明は、以下の説明で明白になり、単独で又は何らかの技術的に可能な組み合わせで考える必要がある特徴に関する。例示目的の本明細書によれば、添付図面を参照して本発明の実施方法を良好に理解できるはずである。

キャリア周波数及びエンベロープ周波数で定義される電磁波を概略的に示す。本発明の第１の実施形態による、ＣＥＰ補正を明瞭にするために使用される第１の構成を概略的に示す（スペクトル干渉法）。ＬｉＮｂＯ_３クリスタルに電圧（Ｖ＝２４０ボルト）が印加される場合及び電圧が印加されない場合の、スペクトル干渉法によって観察される例示的な縞模様を示す。クリスタルに印加される電圧の関数として、スペクトル干渉法で測定されるＣＥＰ変動を示す。本発明の第１の実施形態による、ＣＥＰ補正を明瞭にするために使用されるチャープパルス増幅レーザデバイスを概略的に示す。本発明の実施形態に使用される電気光学調整器のＣＥＰ応答のショットバイショット測定値を示す。電気光学調整器に印加される電圧調整の種々の形態に関するｆ−２ｆ干渉分光法による干渉稿の測定値を示し、正弦電圧によるものである。電気光学調整器に印加される電圧調整の種々の形態に関するｆ−２ｆ干渉分光法による干渉稿の測定値を示し、鋸歯状電圧によるものである。電気光学調整器に印加される電圧調整の種々の形態に関するｆ−２ｆ干渉分光法による干渉稿の測定値を示し、矩形電圧によるものである。種々の調整周波数の関数としてのＣＥＰ測定値の種々の曲線を示す。本発明の第２の実施形態による、ＣＥＰ調整デバイスを概略的に示す。本発明の第２の実施形態で使用するプリズムの斜視図を示す。

（第１の実施形態）
第１の実施形態は、１つだけのオプトエレクトロニクス部品を用いた光パルスのＣＥＰの調整に基づく。詳細には、第１の実施形態は電気光学タイプの調整器の使用に基づき、その原理を以下に詳細に説明する。分散光学要素内を伝搬するレーザパルスを考察する。位相時間Ｔ_φ及び群遅延時間Ｔ_ｇは、それぞれ以下の式（１．ａ）及び（１．ｂ）で定義される。
（１．ａ．）
（１．ｂ）
ここで、ｃは真空中の光速、Ｌは光学ビームが分散要素内を移動する長さ、ω_０はレーザの中心（角）周波数、ｎ（ω_０）及びｎ_ｇ（ω_０）はそれぞれ周波数ω_０での媒体中の屈折率及び群屈折率を表す。

従って、群速度と位相速度との間の差分により引き起こされる遅延は、式（２）のようになる。
（２）

群屈折率ｎ_ｇは、波動ベクトルｋ［ｋ＝ｎω／ｃ］の加群と関連し、式（３ａ）の関係にあり、
（３ａ）
これにより、群屈折率を屈折率及び波長λ_０の関数として表現できる。
（３ｂ）

従って、式（２）は式（４）で表すことができる。
（４）

媒体に印加される電場Ｅは、屈折率の横ポッケルス効果変動を引き起こす。本明細書では、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）クリスタルを方位Ｏｚで伝搬する光パルスを考察する。しかしながら、同じ原理は、ポッケルス効果を示すＲＴＰやＫＴＡ等の他の非線形クリスタルに適用できる。レーザ場は、電場と同じように方位Ｏｘに直線偏光すると仮定され、軸Ｏｘは異常軸に一致する。従って、印加される電場はパルスビームの伝搬軸を横切る。次に、正常ｎ_０屈折率及び異常ｎ_ｅ屈折率は、電場Ｅ、並びに電気光学テンソル成分ｒ_１３及びｒ_３３の関数として得られ、以下の関係にある。
（５．１）
（５．２．）

次に、式（５．２）の関係を用いると、電場を印加した場合の遅延の変動が得られる（群速度と位相速度との間の差分により引き起こされる）。
（６）

これは最終的に以下の形でＣＥＰ変動を表現することができる。
（７）

従って、エンベロープ周波数とキャリア周波数との間の位相ドリフトΔφ_ＣＥＰは、電気光学調整器の端子に印加される電場Ｅの線形関数である。

このような調整器に適切な電圧を印加することで、結果的に、超短パルスレーザのＣＥＰ変動を補正することが可能になる。このデバイスがフィードバックループを伴う場合、ＣＥＰを制御することが可能になる。

（実験用ＣＥＰ制御デバイス）
例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）クリスタルで構成される横ポッケルス電気光学調整器の性能を試験するために、２つの異なる実験用デバイスを使用した。方位Ｏｙのクリスタル表面に電圧を印加することができる金メッキを施した。レーザ放射は、方位Ｏｘに直線偏光される。

（第１のデバイス）
本説明は、スペクトル干渉法の測定に基づいている。例えば業務用モデル「ＳｕｐｅｒＫ（商標）Ｃｏｍｐａｃｔ」といった広周波数スペクトルレーザ（１１）は、ＮＫＴｐｈｏｔｏｎｉｃｓ社から販売されている。このレーザは、２４ｋＨｚの繰り返し率で作動し、放射される放射線スペクトルは、６００から９００ｎｍの幅があり、パルスの持続時間はｎｓ程度であり、照射平均出力は約１００ｍＷである。図２は、マッハツェンダータイプの干渉計に接続されるレーザ（１１）を示し、図２のグラフに図式的に示す電場Ｕ（ｔ）が印加される、ニオブ酸リチウムクリスタル（５）により引き起こされる放射線のスペクトルの位相の変動を測定するために使用される。電気光学位相調整器（５）は干渉計の一方のアームに挿入され、二次位相分散の影響は、適切な長さの分散性材料を備える他方のアームで補償される（一次位相は光学遅延ライン８ａ又は８ｂで補償される）。再結合後、ビームは、調整器によって引き起こされたＣＥＰ変動を直接取り出すことができる分光計に送られる。

数百ｍｓ程度の期間だけ電圧を印加する。電圧発生器で制御されるメンブラン（７）により、２つの時系列中の放射線の選択が可能になり、一方は電圧が印加される時間（（Ｕ（ｔ）≠０）に対応し、他方は電圧が印加されない時間（（Ｕ（ｔ）＝０）に対応する。これらの状况において、例えば図３に示すように、分光計の出口において（比較のために）、電圧が存在しない場合の干渉縞（図３の実線カーブ）と重なり合った電圧が存在する場合の干渉縞（図３の破線カーブ）の画像を記録することができる。

横ポッケルス電気光学調整器のクリスタル（５）に印加する電圧Ｕの振幅を変えることで、ＣＥＰ変動を電場の関数でプロットすることができる。図４は、電気光学調整器に印加される異なる電場値に関するＣＥＰ測定値（■で示す）、並びに直線回帰曲線（一点鎖線）を示す。また、印加電圧をこれから得られる位相変動に関連づける係数を決定できる。

（第２のデバイス）
第２のデバイスにおいて、横ポッケルス電気光学システム（５）は、チタンサファイヤタイプのチャープパルス増幅レーザの経路上に配置され、モードロック発振器のレーザはＣＥＰ安定化される。ＣＥＰ変動は、印加された電場の関数として、ｋＨｚよりも高い周波数でショットバイショット測定を可能にする、内部で開発された高速ｆ−２ｆ干渉計によって、直接測定される。

図５は、この第２のデバイスによるレーザシステムを概略的に示す。これは、モードロック発振器（１）、伸長器（２）、１つ又は複数の増幅段（３ａ、３ｂ）、及び圧縮器（４）を備える。図５に示す実施例において、伸長器（２）及び圧縮器（４）は、回折格子（２１、２２、４１、４２）に基づいている。発振器（１）は、１００ＭＨｚ程度の繰り返し率、約１ｎＪのエネルギー、及び数十ｎｍの分光幅の超短パルス（１０）を伝送する。最終的に、レーザシステムは、２ｍＪでその持続時間が３５ｆｓに近い増幅及び再圧縮されたパルス（４０）を送出する。増幅後のＣＥＰショットバイショット残留ノイズは約３２０ｍｒａｄである（１時間にわたって）。電気光学調整器（５）は、伸長器（２）と再生増幅器（３ａ、３ｂ）との間に配置される。

図６は、時間の関数としてのショットバイショットのＣＥＰ変化の測定値を示す。異なるステップは、電気光学調整器（５）に印加される異なる電圧（Ｕ＝−５ｋＶ、Ｕ＝−２．５ｋＶ、Ｕ＝＋２．５ｋＶ、Ｕ＝＋５ｋＶ、Ｕ＝３．５ｋＶ）に対応する。破線は、時間の関数として緩慢なＣＥＰドリフトを示す。

このデバイスにより、ｋＨｚよりも高い繰り返し率でＣＥＰの推測的調整が可能になり、これを検証するために、時間の関数としてクリスタルに数ボルトが印加されている。図７は、ｆ−２ｆ干渉計の干渉稿によって実験的に観測したＣＥＰの周期的変化を示し、クリスタルに印加される電圧は、正弦波状（図７Ａ）、鋸歯状（図７Ｂ）、又は矩形波状（図７Ｃ）に調整される。この測定値は、回折格子ベースの伸長器及び圧縮器を用いて、ＣＥＰ安定化チャープパルス増幅ＴｉＳチェーンの出力で得られる。

図８は、電場の調整によって課せられ、ｆ−２ｆ干渉計で観測される干渉稿から推測されるＣＥＰの変化をプロットしたものである。より明瞭にするために、位相は、正常軸に添ってオフセットされる。実線カーブは１０Ｈｚの電気光学調整器の周波数、破線カーブは５０Ｈｚの周波数、一点鎖線カーブは１００Ｈｚの周波数、最後に点線カーブは５００Ｈｚの周波数に対応する。数ヘルツから数百ヘルツにわたる各周波数でのＣＥＰの調整が事実上観察される。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態は、プリズム圧縮器の使用、及びＣＥＰの制御のために電気光学作用による圧縮器のプリズムの屈折率の調整に基づいている。例えば、図９Ａに概略的に示す二重経路構成のプリズム圧縮器を考察する。圧縮器（４）は、第１のプリズム（４３）、第２のプリズム（４４）、及びミラー（４５）を備える。入力パルス（３０）は、光学ビームの軸を横切る実線で概略的に示されている。分離ライン（６）により、入射ビームを圧縮器の出力ビームから分離することができる。本来知られているように、第１のプリズム（４３）は、入力パルスをパルススペクトルに存在する波長の関数として空間的に分散する。第１のプリズムの出口において、３つの空間的に分離されたビーム（それぞれλ_１、λ_２、及びλ_３）が示される。また、第２のプリズム（４４）は、ビームの分散を引き起こす。ミラー（４５）での反射後、第２のプリズム（４４）及び第１のプリズム（４３）を通過して、３つのビーム（λ_１、λ_２、及びλ_３）は空間的に再結合するが、各々は同じ光学経路を辿らないので時間的にオフセットしている。従って、出力パルス（４０）は、入力パルス（３０）の分散のよって時間圧縮されることができる。

電極は、プリズム（４３及び／又は４４）の反対面に金属層（４３ａ、４３ｂ、４４ａ、４４ｂ）を堆積することで形成される（図９参照）。従って、各電極の間に印加される電場は、パルスビームの伝搬軸を横切る。その結果、電気光学作用で（電圧を印加することで）プリズム（４３及び／又は４４）の屈折率を調整して、圧縮器（４）によって導入される分散を調整することが可能になる。２つのプリズム（４３及び４４）に同じ電圧を印加することで、システムは、完全に対称のままとなり、レーザビームのポインティング上で変動が誘導されない。４つのプリズムを使用し（前述のプリズムの各々が２つのプリズムで構成される）、高さ方向において圧縮器内のビームの往復経路をシフトすることで、各プリズムに印加される電圧は、同じ位相シフト作用を得るために２つに分割することができる。

印加される電場の関数としての位相遅延と群遅延との間の差の変動の計算は、本方法が効率的にＣＥＰの制御を可能にすることを示す。

本発明は、特に高エネルギーのチャープパルス増幅レーザに適用可能な、ＣＥＰの高速補正のための単純で比較的安価な装置のいくつかの実施形態を提示する。本発明の装置及び方法により、超短（フェムト秒）パルスレーザのＣＥＰ補正が可能になる。更に、本発明により、数Ｈｚから数ＭＨｚにわたる非常に高い周波数でのＣＥＰのショットバイショット補正が可能になる。本装置は、パルスレーザのＣＥＰドリフトを安定化させるために、数十ｋＨｚから数ＭＨｚの周波数で好都合に使用することができ、この繰り返し率は、光学部品（プリズム板又は他の光学機械的調整手段）の挿入に基づく装置では実現できなかった周波数を含んでいる。
本発明の装置及び方法は従来のＣＰＡレーザに使用できる。

１モードロック発振器
２伸長器
３ａ増幅段
３ｂ増幅段
４圧縮器
５電気光学調整器
１０超短パルス
２１回折格子
２２回折格子
４０パルス
４１回折格子
４２回折格子

Claims

エンベロープ周波数とキャリア周波数との間の位相ドリフトに関して安定化される、高エネルギーフェムト秒パルスレーザであって、前記レーザは、
エンベロープ周波数（６０）及びキャリア周波数（５０）を有する入力レーザパルス（１０）の列を生成するように構成され、増幅されることになるレーザパルスの供給源（１）と、
前記入力レーザパルス（１０）を時間伸長するように構成された伸長手段（２）、伸長されたレーザパルス（２０）を増幅するように構成された光増幅手段（３、３ａ、３ｂ）、及び増幅されたレーザパルス（３０）を時間圧縮し、そして出力レーザパルス（４０）を供給するように構成された圧縮手段（４）を含むチャープパルス増幅手段と、
前記出力レーザパルスのエンベロープ周波数とキャリア周波数との間の位相ドリフトを制御する手段と、
を備え、
前記エンベロープ周波数とキャリア周波数との間の位相ドリフトを制御する手段は、前記伸長手段（２）と前記光増幅手段（３、３ａ、３ｂ）の間に配置された横ポッケルス効果電気光学位相調整器（５）を備え、該横ポッケルス効果電気光学位相調整器（５）は、Ｏｘ方位に直線偏光されたレーザパルスの光路に配置され、ここで、前記横ポッケルス効果電気光学位相調整器（５）のクリスタルの異常軸に一致するＯｘ方位に電場が印加され、該電場は、前記出力レーザパルス（４０）のエンベロープ周波数とキャリア周波数との間の位相ドリフトを時間の関数として安定化させるように、時間の関数で変化する振幅の電圧Ｕを有している
ことを特徴とする高エネルギーフェムト秒パルスレーザ。
前記レーザパルスの偏光方向に対する前記横ポッケルス効果電気光学位相調整器（５）の正常光軸及び／又は異常光軸を角度的に位置合わせする手段を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の超短パルスレーザ。
前記横ポッケルス効果電気光学位相調整器（５）は、前記チャープパルス増幅手段の光学経路上に配置されることを特徴とする、請求項２に記載の超短パルスレーザ。
前記横ポッケルス効果電気光学位相調整器（５）は、数Ｈｚから数ＭＨｚの間の作動周波数を有することを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の超短パルスレーザ。
前記出力レーザパルス（４０）のエンベロープ周波数（６０）とキャリア周波数（５０）との間の位相ドリフトを時間の関数として測定する手段と、
前記横ポッケルス効果電気光学位相調整器（５）によって引き起こされた調整を前記エンベロープ周波数とキャリア周波数との間の位相ドリフトの測定値の関数として調節するようになったフィードバックループと、
を更に備えることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の超短パルスレーザ。
高エネルギーフェムト秒パルスレーザのエンベロープ周波数（６０）とキャリア周波数（５０）との間の位相ドリフトの安定化方法であって、該方法は、
エンベロープ周波数（６０）及びキャリア周波数（５０）を有する入力レーザパルス（１０）の列を生成する段階と、
前記入力レーザパルス（１０）を時間伸長する段階、前記伸長されたレーザパルス（２０）を光学増幅する段階、及び、出力レーザパルス（４０）を供給するため、前記伸長及び増幅されたレーザパルス（３０）を時間圧縮する段階を含む、前記入力レーザパルス（１０）をチャープパルス増幅する段階と、
を含み、
前記チャープパルス増幅する段階は、出力レーザパルス（４０）のエンベロープ周波数（６０）とキャリア周波数（５０）との間の位相ドリフトを安定化させる段階を含み、
前記エンベロープ周波数とキャリア周波数との間の位相ドリフトを安定化させる段階は、前記時間伸長する段階の後であって、前記光学増幅する段階の前に、Ｏｘ方位に直線偏光されたレーザパルスを供給する段階、および横ポッケルス効果電気光学位相調整器（５）のクリスタルの異常軸に一致するＯｘ方位に電場を印加する段階を備え、該電場は、電気光学位相調整を引き起こすように、また、前記出力レーザパルス（４０）のエンベロープ周波数とキャリア周波数との間の位相ドリフトを時間の関数として安定化させるように、時間の関数で変化する振幅の電圧Ｕを有している
ことを特徴とする安定化方法。
前記出力レーザパルスのエンベロープ周波数とキャリア周波数との間の位相ドリフトを時間の関数として測定する段階と、
電気光学位相調整を前記エンベロープ周波数とキャリア周波数との間の位相ドリフトの測定値の関数として調節するフィードバックループ段階と、
を更に含むことを特徴とする、請求項６に記載の安定化方法。