JP6542874B2 - キャビティ増強広帯域パルス内差周波数を生成する方法および装置 - Google Patents
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Description
[2]O. Pronin et al.、"Opt. Lett." vol. 36, 2011, p.4746、
[3]欧州特許出願公開第2511751号、
[4]欧州特許出願公開第2664220号、
[5]I. Pupeza et al.、CLEO 2014, Postdeadline Paper Digest, paper STh5C.7、
[6]K. L. Vodopyanov et al. in "Optics Express" vol. 22, 2014, p.4131、
[7]F. Adler et al.、"Opt. Lett." vol. 34, 2009, p.1330、
[8]N. Leindecker et al.、"Optics Express" vol. 20, 2012, p.7046、
[9]F. Keilmann et al.、"Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves" vol. 33, 2012, p.479、
[10]A. Gambetta et al.、"Opt. Lett." vol. 38, 2013, p.1155、
[11]A. Shiffrin et al.、"Nature" vol. 493, 2013, p.70、
[12]M. Seidel et al.、"CLEO 2014" Postdeadline Paper Digest, paper STh5C.9、
[13]V. Petrov、"Optical Materials" vol. 34, 2012, p.536、
[14]E. B. Petersen、"Opt. Lett." vol. 35, no. 13, 2010, p.2170、
[15]J. R. Paul et al.、"Opt. Lett." vol. 38, no. 18, 2013, p.3654、
[16]R. A. Kaindl et al.、"Appl. Phys. Lett." 75, 1999, p.1060、
[17]R. A. Kaindl et al.、"Opt. Lett." 23, 1998, p.861、
[18]C. Erny et al.、"Opt. Lett." 32, 2007, p.1138、および
[19]中国特許出願公開第102879969号。
本発明の目的(課題)は、特に、通常の技術の欠点を回避することができる、差周波発生によって広帯域レーザ・パルスを生成するための改善された方法、特にDFGプロセスによって広帯域中赤外線(MIR)パルスを生成するための改善された方法を実現することである。特に、その目的は、パワーが増大し、広帯域特性が改善され、および/または光学的設定の複雑さが低減された、広帯域レーザ・パルスを生成するための方法を実現することである。さらに、本発明の目的は、DFGプロセスによって広帯域レーザ・パルスを生成するよう構成され、通常のレーザ発振器の欠点を回避でき、特に広帯域レーザ・パルスを生成するための本発明による方法を実現するよう適合化された、改善されたフォトニック・パルス源を実現することである。
上述の目的(課題)は、それぞれ各独立請求項の特徴を含む方法およびフォトニック・パルス源によって達成(解決)される。本発明の有利な実施形態および適用例が、従属請求項に記載されている。
本発明の好ましい各実施形態を、特に、1つ以上のエンハンスメント・キャビティにおける少なくとも1つの光学的に非線形な結晶の配置または装置に関して以下に説明する。それ(配置)は、エンハンスメント・キャビティにおいてフェムト秒レーザ・パルスで差周波数発生(DFG)プロセス(処理、過程)を駆動し、エンハンスメント・キャビティにおいて循環するフェムト秒レーザ・パルスの偏光または偏波を制御し、エンハンスメント・キャビティのビーム経路からその外へとその生成された差周波数(DF)レーザ・パルスを結合するものである。駆動用フェムト秒レーザ・パルスの生成および操作の詳細は、それらが従来技術で知られている限り説明しない(例えば、文献[2]、[4]および[12]参照)。本発明の実際的な実現は、記載された例に限定されることなく、むしろ、エンハンスメント・キャビティの数、光学的非線形結晶の利用可能なタイプまたは種類(文献[13]参照)、循環する超短レーザ・パルスの数、およびエンハンスメント・キャビティの設計に関して、変形が可能であることを、強調する。例示された複数の実施形態の大部分は、各共振器ミラーから或る距離を有する光学的非線形結晶を示す。代替形態として、光学的非線形結晶は、複数の共振器ミラーの中の1つのミラーと直接接触する状態に配置することができる(図6参照)。
Claims (17)
- 差周波数発生(DFG)によって差周波数(DF)レーザ・パルス(1)を生成する方法であって、
− 20fs未満のフーリエ限界に対応するスペクトル帯域幅を有し、かつ第1のスペクトル成分と、前記第1のスペクトル成分より高い周波数を有する第2のスペクトル成分とを同時に含む超短レーザ・パルス(2)を供給する工程と、
− 第1の光学的非線形結晶(10)において前記超短レーザ・パルス(2)によって差周波数発生プロセスを駆動する工程であって、前記差周波数レーザ・パルス(1)が前記第1の光学的非線形結晶(10)において前記第1と第2のスペクトル成分の間の差周波数によって形成され、前記差周波数が前記第1と第2のスペクトル成分の双方より低い周波数の第3のスペクトル成分を含むものである、工程と、
を含み、
特徴として、
− 第1のビーム経路(22)にわたる複数の第1の共振器ミラー(M11〜M14)を有し前記超短レーザ・パルス(2)のコヒーレントな重ね合わせに適合化された第1のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(20)を形成する工程であって、前記第1のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(20)の前記第1のビーム経路(22)に前記第1の光学的非線形結晶(10)が配置される工程と、
− 前記第1のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(20)において前記超短レーザ・パルス(2)を入力結合しコヒーレントに加える工程であって、少なくとも1つの循環超短レーザ・パルス(3)が、前記第1のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(20)において形成され、前記差周波数レーザ・パルス(1)を生成するために前記第1の光学的非線形結晶(10)において前記差周波数発生プロセスを駆動し、前記第1のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(20)が前記第1の光学的非線形結晶(10)中を通過する前記少なくとも1つの循環超短レーザ・パルス(3)を再循環させるよう適合化される工程と、
− 前記第1のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(20)から前記差周波数レーザ・パルス(1)を出力結合する工程と、
を含み、
− 前記差周波数レーザ・パルス(1)は、4μm乃至20μmの範囲の中心波長および少なくとも500nmのスペクトル幅を有するものである、
方法。 - 前記差周波数レーザ・パルス(1)を出力結合する前記工程は、
− 前記第1のビーム経路(22)からの前記差周波数レーザ・パルス(1)を、前記第1の光学的非線形結晶(10)の後側の反射ダイクロイック面(12)と、前記第1の光学的非線形結晶(10)の前側の反射防止被覆(15)とで、反射する、
− 前記第1のビーム経路(22)からの前記差周波数レーザ・パルス(1)を、前記第1の光学的非線形結晶(10)のダウンストリームの前記第1の共振器ミラーのダイクロイック面を介して、伝達する、および
− 前記第1のビーム経路(22)からの前記差周波数レーザ・パルス(1)を、前記第1のフェムト秒エンハンスメント・キャビティに配置されたダイクロイック・プレートの表面で反射する
という特徴の中の少なくとも1つの特徴を含むものである、請求項1に記載の方法。 - 前記差周波数レーザ・パルス(1)を出力結合する前記工程は、前記第1のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(20)において前記循環超短レーザ・パルス(3)を伝達する開口(23)を有する補助ミラー(21)または前記第1の共振器ミラー(M11〜M14)の中の1つによって、前記差周波数レーザ・パルス(21)の発散部分を中継することを含むものである、請求項1に記載の方法。
- 前記超短レーザ・パルス(2)を供給する前記工程は、
− 単一のレーザ源(40)で前記超短レーザ・パルス(2)を生成する、および
− 前記差周波数発生プロセスに寄与しない前記超短レーザ・パルス(2)のスペクトル成分を抑圧する
という特徴の中の少なくとも1つの特徴を含むものである、請求項1乃至3のいずれかに記載の方法。 - 前記第1および第2のスペクトル成分の偏光が互いに平行または垂直になるように、前記超短レーザ・パルス(2)の前記第2のスペクトル成分の偏光に対して第1のスペクトル成分の偏光を調整する工程を含む、請求項1乃至4のいずれかに記載の方法。
- 前記第1のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(20)において循環する光場の偏光の楕円率であって前記第1の光学的非線形結晶(10)において生成される楕円率を補償するよう適合化された第2の光学的非線形結晶(30)を、前記第1のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(20)の前記ビーム経路(22)に配置する工程を含む、請求項1乃至5のいずれかに記載の方法。
- 前記第2の光学的非線形結晶(30)は、さらに、差周波数発生によって前記第3のスペクトル成分内に他の差周波数を生成するよう適合化されるものである、請求項6に記載の方法。
- − 1つ以上の他のビーム経路(52)にわたる1つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(50)を設ける工程であって、前記第1のフェムト秒エンハンスメント・キャビティおよび前記1つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(20、50)の前記第1のビーム経路および前記1つ以上の他のビーム経路(22、52)の全ての経路の交差部に前記第1の光学的非線形結晶(10)が配置されるように、前記1つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(50)の各々が前記第1のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(20)に対して配置される、工程と、
− 前記超短レーザ・パルス(2)の波長選択分割によって2つ以上のパルス部分(2A、2B)を形成する工程であって、前記第1および第2のスペクトル成分のスペクトル・コンテンツが前記2つ以上のパルス部分(2A、2B)に分配される工程と、
− 前記第1のフェムト秒エンハンスメント・キャビティおよび前記1つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(20、50)の中の1つに、前記2つ以上のパルス部分(2A、2B)の各々を入力結合し、前記第1のフェムト秒エンハンスメント・キャビティおよび前記1つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(20、50)の中の1つにおいてそれぞれが循環する少なくとも2つの循環超短レーザ・パルス(3A、3B)に、前記2つ以上のパルス部分(2A、2B)をコヒーレントに加える工程と、
をさらに含み、
− 前記第1のフェムト秒エンハンスメント・キャビティおよび前記1つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(20、50)における前記2つ以上の循環超短レーザ・パルス(3A、3B)が、前記第1の光学的非線形結晶(10)において異なる偏光を有するように、前記2つ以上のパルス部分(2A、2B)の偏光が調整され、
− 前記差周波数発生プロセスは、前記第1の光学的非線形結晶(10)において前記2つ以上の循環超短レーザ・パルス(3A、3B)によって駆動されるものである、
請求項1乃至7のいずれかに記載の方法。 - 2つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(50)が設けられ、
前記第1のフェムト秒エンハンスメント・キャビティおよび前記2つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(20、50)の各々が、相異なるスペクトル・コンテンツおよび相異なる偏光を有する各パルス部分をコヒーレントに加えるよう配置されるものである、
請求項8に記載の方法。 - 前記第1の光学的非線形結晶(10)は、
− 前記第1の光学的非線形結晶(10)が5μm乃至5mmの範囲の厚さを有する、および
− 前記第1の光学的非線形結晶(10)が前記第1の共振器ミラーの中の1つ(M 14 )に直接接触する
という特徴の中の少なくとも1つの特徴を有するものである、請求項1乃至9のいずれかに記載の方法。 - 前記第1の光学的非線形結晶(10)の温度が、前記第1の共振器ミラーの中の1つ(M14)または温度制御支持段(14)によって設定され、
前記第1の光学的非線形結晶(10)が、前記第1の共振器ミラーの中の1つ(M14)または前記温度制御支持段(14)に光学的に接触させられまたは取り付けられる、
請求項1乃至10のいずれかに記載の方法。 - 前記第1の光学的非線形結晶(10)の調整支持段(13)が、前記第1のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(20)の前記第1のビーム経路(22)に対して前記第1の光学的非線形結晶(10)の配向を調整するよう制御される、請求項1乃至11のいずれかに記載の方法。
- 差周波数発生(DFG)によって差周波数(DF)レーザ・パルス(1)を生成するよう構成されたフォトニック・パルス源(100)であって、
20fs未満のフーリエ限界に対応するスペクトル帯域幅を有し、かつ第1のスペクトル成分と、前記第1のスペクトル成分より高い周波数を有する第2のスペクトル成分とを同時に含む超短レーザ・パルス(2)で駆動される差周波数発生プロセスによって前記差周波数レーザ・パルス(1)を生成することができる第1の光学的非線形結晶(10)を含み、
前記差周波数レーザ・パルス(1)は、前記第1と第2のスペクトル成分の間の差周波数によって生成することができ、
前記差周波数は、前記第1と第2のスペクトル成分の双方より低い周波数の第3のスペクトル成分を含み、
特徴として、
第1のビーム経路(22)にわたる複数の第1の共振器ミラー(M11〜M14)を有する第1のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(20)を含み、
前記第1の光学的非線形結晶(10)が前記第1のビーム経路(22)に配置され、前記第1のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(20)が前記超短レーザ・パルス(2)のコヒーレントな重ね合わせに適合化され、
前記第1の共振器ミラーの中の1つ(M11)が、前記第1のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(20)中に前記超短レーザ・パルス(2)を入力結合するよう配置され、
前記第1のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(20)は、さらに、前記第1のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(20)から前記差周波数レーザ・パルス(1)を出力結合するよう配置された出力結合部品を含むものであり、
前記フォトニック・パルス源(100)は、4μm乃至20μmの範囲の中心波長および少なくとも500nmのスペクトル幅を有する前記差周波数レーザ・パルス(1)を生成するよう構成されたものである、
フォトニック・パルス源。 - 前記出力結合部品は、
− 前記第1のビーム経路(22)からの前記差周波数レーザ・パルス(1)を反射するよう前記第1の光学的非線形結晶(10)の後側に配置された反射ダイクロイック面(11)、および前記第1の光学的非線形結晶(10)の前側に配置された反射防止被覆(15)、
− 前記第1の光学的非線形結晶(10)のダウンストリームの前記第1の共振器ミラーの中の1つのミラーのダイクロイック面、または
− 前記第1のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(20)に配置されたダイクロイック・プレートの表面
を含むものである、請求項13に記載のフォトニック・パルス源。 - さらに、
− 前記超短レーザ・パルス(2)を供給するよう配置された単一のレーザ源(40)、
− 前記差周波数発生プロセスに寄与しない前記超短レーザ・パルス(2)のスペクトル成分を抑圧するよう構成されたスペクトル整形部品(42)、
− 前記第1のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ中に前記超短レーザ・パルスを入力結合する前に、前記第1および第2のスペクトル成分の偏光を調整するよう配置された外部の偏光器部品、および
− 前記第1のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(20)の前記ビーム経路(22)に配置され、前記第1のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(20)において循環する光場の偏光の回転に適合化された、第2の光学的非線形結晶(30)、
の中の少なくとも1つを含む、請求項13または14に記載されたフォトニック・パルス源。 - − 1つ以上の他のビーム経路(52)にわたる1つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(50)であって、前記第1のフェムト秒エンハンスメント・キャビティおよび前記1つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(20、50)の前記第1のビーム経路および前記1つ以上の他のビーム経路(22、52)の全ての経路の交差部に前記第1の光学的非線形結晶(10)が配置されるように、前記第1のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(20)に対して配置される1つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(50)と、
− 前記第1および第2のスペクトル成分のスペクトル・コンテンツが分配される2つ以上のパルス部分(2A、2B)への前記超短レーザーパルス(2)の波長選択分割を形成するよう配置された少なくとも1つのダイクロイック・ビーム・スプリッタ(43)と、
− 前記2つ以上のパルス部分(2A、2B)の中の少なくとも1つの部分の偏光を調整するよう配置された少なくとも1つの偏光器部品(45、47)と、
をさらに含み、
− 前記第1のフェムト秒エンハンスメント・キャビティおよび前記1つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(20、50)は、前記2つ以上のパルス部分(2A、2B)の各々を、前記第1のフェムト秒エンハンスメント・キャビティおよび前記1つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(20、50)の中の1つに入力結合し、前記第1のフェムト秒エンハンスメント・キャビティおよび前記1つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(20、50)の中の1つにおいてそれぞれが循環する2つ以上の循環超短レーザ・パルス(3A、3B)に、前記2つ以上のパルス部分(2A、2B)をコヒーレントに加えるよう、配置され、
− 前記少なくとも1つの偏光器部品(45、47)は、前記第1のフェムト秒エンハンスメント・キャビティおよび前記1つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(20、50)における前記2つ以上の循環超短レーザ・パルス(3A、3B)が、前記第1の光学的非線形結晶(10)において相異なる偏光を有するように、前記2つ以上のパルス部分(2A、2B)の偏光を調整するよう適合化され、
− 第1の光学的非線形結晶(10)は、内部で前記2つ以上の循環超短パルス(3A、3B)によって前記差周波数発生プロセスが駆動され得るように配置されるものである、
請求項13乃至15のいずれかに記載のフォトニック・パルス源。 - 2つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(50)を含み、
前記第1のフェムト秒エンハンスメント・キャビティおよび前記2つ以上の他のフェムト秒エンハンスメント・キャビティ(20、50)の各々は、相異なるスペクトル・コンテンツおよび相異なる偏光を有する各パルス部分をコヒーレントに加えるよう配置されたものである、
請求項16に記載のフォトニック・パルス源。
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