JP7463595B2 - マルチパルス増幅 - Google Patents

Description

関連技術の相互参照
本願は、２０１７年７月２５日出願の米国特許出願第６２／５３６６３４号の発明の名称「ＭＵＬＴＩ－ＰＵＬＳＥ ＡＭＰＬＩＦＩＣＡＴＩＯＮ」の優先権の利益を主張し、その内容がその全体においてここに参照として取り込まれる。

本開示は、各パルス間に所望の遅延を有する複数のレーザパルスを生成するチャープパルス増幅システムに関する。

関連技術の説明
超短パルスレーザは、そのパルス幅τ_０を１０^－１５～１０^－１１秒のオーダとすることができ、レーザ加工などの多くの用途において、さらに長いτ_０（例えば、ナノ秒）のレーザと比較して優れた効果を実証してきた。

チャープパルス増幅（ＣＰＡ）は、高いパルスエネルギーＥ_ｐを有する超短パルスを生成するための効果的な技術である。チャープパルス増幅器において、モード同期発振器によって生成されるシードパルス列は、増幅する前に、まず波長λについての群遅延の導関数である光群遅延分散Ｄ（λ）を適用することによってより長いパルス幅τ_Ｓに伸張される。ここで、群遅延とは、異なる波長の光が特定の媒体を通過するのに異なる時間が掛かることを意味する。そして、増幅パルスは、反対の群遅延分散－Ｄ（λ）を用いて超短パルス幅に圧縮して戻される。通常、発振器からの出力はＭＨｚ～ＧＨｚのオーダの範囲の繰返し率Ｆ_Ｒを有し、隣接パルス間の時間的遅延τ_ＤＯ＝Ｉ／Ｆ_Ｒはナノ秒からマイクロ秒のオーダの範囲にある。出力平均パワーを比較的低く維持しつつ高いパルスエネルギーＥ_ｐを有するパルスを生成するために、モード同期発振器からの出力が、タイムゲーティングデバイスによって増幅前の非常に低い繰返し率Ｆ_Ｄ＜＜Ｆ_Ｒに低下してしまう。ある配置では、低下したパルスの繰返し率で単一パルス列が選択される。

そのようなＣＰＡシステムに関連した課題があり得る。

ある用途では、所望の遅延を有する複数のパルス（マルチパルス）が好ましい。したがって、マルチパルス増幅のためのシステム及び方法の実施形態を説明する。

実施形態では、チャープパルス増幅システムはシード光パルスを増幅するように構成可能であり、シード光パルスは複数のパルスに分割され、各隣接パルス間に遅延が適用され、圧縮後の隣接パルス間の遅延は、チャープパルス増幅システムの利得媒体内の伸張パルス持続時間よりも小さい。

実施形態では、チャープパルス増幅システムにおいて、複数のパルスを生成するための方法が提供される。方法は、レーザ源からシードパルスを受信するステップであって、シードパルスは光群遅延分散Ｄ（λ）を有し、ここでλは波長である、受信するステップと、伸張パルス幅を有する伸張パルスを生成するようにシードパルスを伸張するステップと、伸張パルスを、異なる波長を有する複数のパルスを備えるパルスパックに分割するステップと、パルスパックにおける複数のパルスの各々に時間遅延を適用するステップであって、時間遅延は光群遅延分散と同じ符号を有する、適用するステップと、パルスパックにおける複数のパルスの各々を増幅するステップと、パルスパックにおける複数のパルスの各々を圧縮するステップとを備える。

実施形態では、チャープパルス増幅（ＣＰＡ）システムは、シードパルスを出力するように構成されたシードレーザ源と、シードパルスを伸張して伸張パルスを出力するように構成された伸張器と、伸張パルスの各々を複数のスプリットパルスに分割するように構成された分割器と、複数のスプリットパルスの各々に遅延を適用するように構成された遅延部と、遅延スプリットパルスの各々を増幅するように構成された増幅器と、増幅された遅延スプリットパルスの各々を圧縮して複数の光パルスを出力するように構成された圧縮器とを備える。

上記の概要、以下の図面及び詳細な説明は、本開示に限定することなく非限定的な例を説明することを目的とする。

図１は、複数のパルス出力を有するチャープパルス増幅（ＣＰＡ）システムの例のブロック図である。 図２Ａは、複数のパルスを生成する従来のビーム分割及び結合配置の結果を概略的に示す。 図２Ｂは、複数のパルスを生成する従来のビーム分割及び結合配置の結果を概略的に示す。 図２Ｃは、複数のパルスを生成する従来のビーム分割及び結合配置の結果を概略的に示す。 図３Ａは、本開示によるビーム分割方法を概略的に示す。時間的に伸張及びチャープされたパルス（図３Ａ）は、チャープパルスが重複し得る複数のパルスを生成するように分割及び再結合される（図３Ｂ）。 図３Ｂは、本開示によるビーム分割方法を概略的に示す。時間的に伸張及びチャープされたパルス（図３Ａ）は、チャープパルスが重複し得る複数のパルスを生成するように分割及び再結合される（図３Ｂ）。図３Ｂでは、τ_Ｄは（例えば、ピーク間から測定される）隣接パルス間の遅延であり、τ_Ｓは（例えば、半値全幅（ＦＷＨＭ）として測定される）伸張パルス幅である。 図４Ａは、時間内に重複するチャープパルスの非線形相互作用の結果生じる高密度パルスパックの形成の例を示す実験による自己相関プロットである。自己相関強度（任意単位ａ．ｕ．）は、ｐｓにおける遅延に対してプロットされる。 図４Ｂは、本開示のシステムにおける高密度パルスパックの制御を検証する非線形パルス伝搬のシミュレーションで得られた自己相関プロットを示す。時間的強度（ａ．ｕ．）は、ｐｓにおける遅延時間に対してプロットされる。 図５Ａは、複数のパルス間の非線形相互作用が時間遅延及び／又は分散の制御を介して低減又は回避され得る波長分割／時間遅延技術の例を概略的に示す。 図５Ｂは、複数のパルス間の非線形相互作用が時間遅延及び／又は分散の制御を介して低減又は回避され得る波長分割／時間遅延技術の例を概略的に示す。 図６は、τ_Ｄ～τ_Ｓ／１００を有する２つのシードパルスを有する伸張シードパルスを時間遅延する際にスペクトル遅延が適用される場合の、再圧縮されたパルスの例を示す自己相関プロットである。パルス間の時間遅延τ_Ｄは、伸張パルス幅τ_Ｓよりもかなり小さい。自己相関強度（ａ．ｕ．）は、ｐｓにおける遅延に対してプロットされる。 図７は、波長分割を用いることなくパルスを分割するのに使用可能なファイバベースのパルス遅延の例を概略的に示す。 図８は、パルスを分割するのに使用可能であり波長分割を利用するファイバベースのパルス遅延の例を示す。 図９は、遅延を有する複数のパルスを生成する技術の例を概略的に示す。 図１０は、遅延を有する複数のパルスを制御可能に生成することができるパルス遅延生成システムの例を概略的に示す。

図面は、説明の目的のために本開示の種々の実施形態を示し、限定を意図するものではない。可能な場合には同等又は同様の参照番号又は参照記号が図面に用いられ、同等又は同様の機能性を示すことができる。

概要
マルチパルスを生成する方法の１つは、発振器のうちのパルス列における単一のパルスではなく複数のパルスを選択することである。しかしながら、隣接パルス間の遅延は、通常、ナノ秒以上の範囲にあり、発振器におけるパルスの往復によって決定される。一般的に、遅延値の調節は発振器キャビティの変更を必要とし、それはこの技術が用いられる場合に、実際のところ容易な実施とはならない。

パルス間にさらに短い遅延を得るには、単一のパルスが空間的に分割されて、相互に対して時間遅延を有する複数のパルスを形成することになる。この技術を用いて、隣接パルス間の遅延は、パルス幅τ_０に相当させて設定可能である。レーザの多くの用途に対して、パルスのコリニア出力が高く望まれる。したがって、この技術に関連した自由空間光セットアップは、コスト及びシステムの複雑性の増加だけでなく、不安定性ももたらし、出力パワーを犠牲にする。このアプローチの技術的課題は、自由空間のアプローチについて、具体的には、シード段及び増幅後段においてパルスを分割することについて残ることになる。

レーザ設計は全体的に、ファイバ技術でパルス分割を実施する場合に、特に、シードパルスが増幅器の前で分割される場合に、相当コンパクトかつ環境的に安定となり得る。ファイバ光学を用いて、シードパルスの分割及び遅延は、より容易にかつより柔軟性をもってなされ得る。増幅器の前でパルスを分割すると、ピークパワーが低下し、増幅器からの完全に利用可能な出力の使用が促進され得る。

図１は、複数のパルス出力を有するＣＰＡシステムの例を示す。ＣＰＡシステムは、シードレーザ源１００と、伸張器２００と、伸張器２００からのパルスを複数のパルス３０１、３０２、．．．、３０ｎに分割する分割器２５０とを備える。マルチパルスは遅延部４００へ進み、それは増幅器５００によって増幅されて増幅パルス５０１、５０２、．．．、５０ｎを生成する遅延パルス４０１、４０２、．．．、４０ｎを出力する。増幅マルチパルスは、パルス圧縮器６００によって選択的に圧縮されて、圧縮パルス６０１、６０２、．．．、６０ｎを生成することができる。ＣＰＡシステムのある実施形態では、マルチパルスパックにおけるパルスの数ｎは、２～１０００の範囲であり得る。ＣＰＡシステムのある実施形態では、マルチパルスパックにおけるパルスの数ｎは、シード入力パルスの数（１、２、３、４、５、１０又はそれ以上であり得る）よりも多くなり得る。種々の実施形態では、シードレーザ源はファイバレーザであってもよく、増幅器５００はファイバ利得媒体を有する（例えば、希土類の利得媒体を備える）ファイバ増幅器を備えてもよく、パルス伸張器２００は数十ピコ秒から数ナノ秒の範囲の伸張パルス持続時間を有する伸張パルスを出力可能であり、パルス圧縮器６００はフェムト秒からピコ秒の範囲のパルス持続時間を有する超短パルスである圧縮パルスを出力可能である。分割器２５０は、例えば、フィルタ、回折格子又は光ファイバなどの波長選択的構成要素を備えることができる。パルス伸張器２００は、プリズム伸張器、格子伸張器、ファイバ伸張器、ファイバブラッググレーティング、チャープミラーなどを備え得る。パルス圧縮器６００は、プリズム圧縮器、格子圧縮器、ファイバ圧縮器、ファイバブラッググレーティング、チャープミラーなどを備え得る。

図２Ａ、２Ｂ及び２Ｃは、図１に示すものと同様のＣＰＡシステムの実施形態を用いる従来のビーム分割方法の結果を示す。シードパルス２０１（図２Ａ）は複数のパルス４０１、４０２、．．．、４０ｎに分割され、スプリットパルスの各々は元のパルスのコピーである。パルス間の時間遅延は、パルス群が増幅される前にパルスを分離するように適用される（図２Ｂ）。好適には、増幅パルスは増幅後に圧縮可能であり、超高速パルス６０１、６０２、．．．、６０ｎはパルス間に遅延を有して生成される（図２Ｃ）。この方法は、ＣＰＡ又は非ＣＰＡシステムに適用可能である。

しかしながら、図２Ａ～２Ｃのシードパルスを分割するアプローチがＣＰＡシステムに適用される場合には、図３Ａ及び３Ｂで概略的に示すような以下のシナリオが生じてしまう。隣接パルス４０１と４０２の間の遅延τ_Ｄ（図３Ｂ参照）が伸張パルス幅τ_Ｓよりも短い場合には、つまりτ_Ｄ＜τ_Ｓの場合には、隣接パルスは、それらがパルス圧縮器６００によって再圧縮される前に、増幅器５００に含むビーム経路に重複４１０を有し得る。パルス間の不要な非線形相互作用、例えば、相互位相変調（ＸＰＭ）が固体状態又はファイバ利得媒体のいずれかにおいて増幅器材料に発生し得ることがあり得る。さらに、そのような非線形相互作用はまた、増幅器の外部の媒体にも生じ得る。非線形相互作用の可能性はまた、パルスが、例えば、ファイバにおける光学的非線形相互作用に起因して光ファイバにおいて誘導される場合にも高くなる。パルス間の非線形相互作用は、出力のスペクトル及び／又は時間的特性の大きな変化を結果としてもたらし得る。

マルチパルス生成技術の例
ある技術はパルス形態の変化を回避するように設計され得るが、そのようなパルス形態の変化はまた、数百フェムト秒から数ナノ秒の範囲の時間遅延を有する複数のパルスの形成をもたらし得る。パルス形成の詳細は、ファイバにおける光学的非線形相互作用、例えばとりわけ、パルスエネルギー、ピークパワー、ファイバのモードフィールド径に依存する。このアプローチにおける複数のパルスの生成はまた、レーザアプリケーションに依存して有用となり得る。個々のパルスは非線形光学パラメータの詳細に対してより影響を受けることが観察され、それはモデリングを複雑にするが、全体として高密度パルスパックは非常に安定的であり、分割する前の元のパルスの安定性とは異なっていないことが観察される。

１つの態様において、本開示は、レーザシステムにおいて光パルスを分割することによる複数のパルスの生成に関する。例として、チャープパルス増幅（ＣＰＡ）配置では、伸張パルス持続時間よりも短いパルス間の時間遅延を有する高密度パルスパックが提供される。高密度パルスパックは、数個から数十個、数百個又は数千個のパルスの範囲の多数のパルスを含み得る。

第１の例では、（図３Ｂを参照して説明する）時間内で重複４１０するパルス間の非線形相互作用を利用して、高密度パルスパックは、図４Ａに示すように生成され得る。高密度パルスパックのパルスは、自己相関とともに測定されたファイバベースのチャープパルス増幅の再圧縮出力である。図２及び３Ａを参照して説明するように、時間内で伸張されたシードパルス２０１は、増幅及び再圧縮前の時間内に分割される。２つの隣接パルス４０１、４０２の間の時間遅延は、伸張シードパルスの時間重複４１０によって決定される。図４Ｂは、表１のパラメータと、非線形シュレーディンガーパルス伝搬によって相互作用する２つのパルスについてのシミュレーション結果を示す。詳細なシミュレーションパラメータは図４Ａに示す観測値との正確な定量的一致を再現するには十分でないが、特定の理論に縛られることなく、シミュレーションは上記の説明、具体的には高密度パルスパックの形成を促進させ確認する。高密度パルスパック内のパルスの時間間隔及び数は、初期の遅延を調整することによって制御可能である。例えば図４Ｂでは、初期の遅延が１０ｐｓから２０ｐｓに変化すると、パルスパックにおける隣接パルス間の遅延は１０ｐｓから２０ｐｓに変化することになる。パルスパックの特性はまた、パルス間の非線形相互作用を調節することによって、例えば、パルス強度を変更することによって、媒体の長さ、開口などを変化させることによっても制御可能である。ある実施形態では、ファイバの長さが５ｍから１０ｍ又は２０ｍに変化すると、パルスの数は１２から２０、３６個のパルスにそれぞれ変化する。したがって、ファイバの長さを上方調節するとパルスパックにおけるパルス数が増加し、ファイバの長さを下方調節するとパルスパックにおけるパルス数が減少する。

少なくとも１つの追加的又は代替的配置では、伸張シードパルスの非線形相互作用は、初期パルス２０１が、例えば、光学フィルタ、回折格子又は光ファイバを用いて異なる波長を有する複数のパルスに分割される図５Ａに示すように回避される。図５Ａでは、横軸が時間であり、縦軸がパルス強度を示す。振動数は、パルスが正常な分散を有することを示し、低波長部分がパルスの先頭側に現れる。図５Ａにおけるパルス形態の振動は、例としてパルスにおける周波数変動のコンセプトを示すことを目的とする。パルスが線形分散を有する場合には、Ｄ（λ）がレーザの帯域幅内で一定であることを意味し、時間ドメインにおけるパルス形態がスペクトルドメインにおけるパルスを示す。一方、パルスコンテンツが非線形分散を含む場合には、パルス形態は時間及びスペクトルドメインの双方において異なり得る。しかしながら、ほとんどのＣＰＡシステムに対して、線形分散が支配的であるため、分割の前及び分割の後には、時間ドメインにおけるパルス形状はスペクトル形状と実質的に同じとなるべきである。図５Ａの例では、パルス２０１は波長において部分４０１、４０２．．．４０ｎに分割される。例えば、図式的なチャープパルス２０１では、部分４０１は部分４０１よりも低い周波数（とそれによってより長い波長）成分を有する部分４０２よりも高い周波数（とそれによってより短い波長）成分を有し、部分４０２は対応して部分４０３よりも高い周波数（より短い波長）を有し、同じように部分４０ｎに続き、それは分割部分の最低周波数（最長の波長）を有する。

時間遅延τ_Ｄには、分散Ｄ（λ）の同じ符号が適用可能である。例えば、正常な分散（群速度が波長とともに増加する）に対して、より長い波長はパルスの先頭側にあり、時間遅延はより短い波長を有するスプリットパルスに適用される。異常分散（群速度が波長とともに低下する）に対して、より短い波長はパルスの先頭側にあり、遅延はより長い波長を有するスプリットパルスに適用される。したがって、τ_Ｄ＜τ_Ｓであっても、パルスは、図５Ｂに図式で示すように、分散Ｄ（λ）に起因して相互に時間的に分離可能である。そのため、パルス間の非線形相互作用は、そのようなある実施では無視可能なレベルまで効果的に回避又は低減され得る。

一般的に、フィルタは、通常は有限帯域幅Δλを有し、それは通常その送信プロファイルの１０％～９０％に規定されるので、パルスは、図５Ａ及び５Ｂで概略的に示すように、実際には鋭角に分離されることはない。最小遅延は、隣接パルス間のスペクトル分離又は重複、及び伸張パルスの分散によって決定され得る。ある実施形態では、時間遅延がτ_Ｄ＞Δλ＊Ｄ（λ）であることが好ましい。ある場合には、パルス間の限定された時間的重複、例えば、１０％未満、２５％未満又は５０％未満の重複が可能とされる。そのようなある場合には、時間的重複は、非線形相互作用効果（例えば、ＸＰＭ）がパルス形態を実質的に変更しない程度に十分小さくなるように制限され得る。

時間的に分割される（パルスパックにおける）パルスは、（例えば、増幅器５００によって）増幅可能であり、その後、光パルスの高密度パックを出力するように（例えば、圧縮器６００によって）再圧縮可能である。

図６は、τ_Ｄ～τ_Ｓ／１００の２つのシードパルスを有する伸張シードパルスを時間遅延する際にスペクトル遅延が適用される場合の再圧縮されたパルスの例を示す実験による自己相関プロットである。２本の垂直な黒色線は、中央自己相関関数の半値全幅（ＦＷＨＭ）を示す。パルス間の非線形相互作用を低減又は削除することによって、それは時間遅延シードパルスの数と同一、この例では２個に維持され得る。

マルチパルス生成システムの例
上記の説明は、パルス間に特定の時間遅延を有するスプリットシードパルスを作成するための技術の例を与える。ファイバベースの分割器及び結合器、例えば３ｄＢカプラを異なる長さのファイバと組み合わせて利用するパルス遅延部７００の例を図７に示す。このパルス遅延では、パルスの波長は分割されない。シードパルス７０１は、第１のファイバカプラ７０５ａを用いて２つのパルス７０２、７０３にまず分割され、スプリットパルス７０２、７０３はパルス遅延部の異なるアームで伝搬する。スプリットパルス７０２、７０３を、図７の三角形として概略的に示す。２つのスプリットパルス７０２、７０３の間の遅延は、各アームにおいて異なる長さのファイバを用いることによって導入される。例えば、図７に示す遅延部７００の上側アームは、遅延線を提供するようにファイバの追加長ΔＬを含む。そして、２つのアームからのスプリットパルスは、第２のカプラ７０５ｂを用いて単一ファイバに結合され得る。上側アームの遅延ΔＬに起因して、上側アームに伝搬するパルス７０２は下側アームに伝搬するパルス７０３に対してｎΔＬ／ｃだけ遅延され、ここでｎはパルス７０２が伝搬するファイバの屈折率であり、ｃは真空における光の速度である。したがって、上側アームのパルス７０２は、図７に示すように、結合後に下側アームのパルス７０３に続く。遅延ΔＬの量（及びそれによる時間遅延ｎΔＬ／ｃの量）は、ある実施形態では、例えば可変光ファイバ遅延線を用いることによって調節可能となり得る。

概して図７に示す遅延部と類似するが、波長の分割を利用する、パルス遅延部７００の他の実施形態を図８に示す。図８に示す遅延部７００では、カプラ７０５ａ、７０５ｂの双方は波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）を備え、それはそれらの波長に基づいてパルスを分割及び結合する。ＷＤＭは、光学フィルタリング又はファイバカップリングのいずれかを通じて波長を選択することができる。ある実施形態では、図８のＷＤＭの一方又は双方が、所望の位置において、例えば信号スペクトルの中間において、所望の帯域幅で、例えば、＜１ｎｍ、＜２ｎｍ又は＜１０ｎｍなどで波長を分割するフィルタ７０８を含む。図８では、ＣｏｍはＷＤＭの共通ポートのことであり、双方の波長が、ＷＤＭに（例えば、入力パルス７０１として）入力、又はＷＤＭから出力される。図９に示すように、偏光保持ファイバにおける偏光モード分散の差分などの遅延線デバイスに連結された他のファイバ、又は分散シフトファイバなどの異なる群分散遅延を有するファイバも用いられ得る。ロングパスフィルタは、より長い波長のパルス７０２が上側アームに伝搬し、より短い波長のパルス７０３が下側アームに伝搬するように使用可能であり、それは遅延線（図７を参照して説明するのと同様に、可変又は調節可能であり得る）を含む。より短い波長のパルス７０３は、第２のＷＤＭ７０５ｂから出力された後に、遅延線（例えば、時間遅延ｎΔＬ／ｃ）によって導入される時間遅延に起因して、より長い波長のパルス７０２の後に続く。より長い波長のパルス７０２に対する遅延が（より短い波長のパルス７０３に対して）望ましい場合には、遅延線は、より長い波長のパルス７０２が伝搬するアーム（短いパルス７０３が伝搬するアームではなく）に導入され得る。したがって、図８の波長遅延部７００の実施形態は、（異なる波長を有する）パルス間に制御可能な時間遅延を生成するのに用いられ、より短い波長のパルスが（図８に示すようにより長い波長のパルスに対して）遅延され、又はより長い波長のパルスが（より短い波長のパルスに対して）遅延されるいずれかのように配置可能となる。

図９は、遅延を有する複数のパルスを生成する技術の例を概略的に示す。入力シードパルスは、線形偏光を有する偏光保持（ＰＭ）ファイバに伝搬する。ＰＭファイバは、ファイバの１つの軸に沿って偏向される光がこの軸に対して直交して偏向される光と比較して異なる割合で進行するように複屈折性を有する。ＰＭファイバ内の２つの主伝送軸は、高速軸及び遅軸と呼ばれる。ＰＭファイバは、長さＬ及びゼロでない角度オフセットθを有するＰＭファイバの他の区画においてスプライシングされ得る。入力シードパルスは、通常、高速軸及び遅軸の双方に偏光成分を有することになる。ＰＭファイバにおける複屈折性に起因して、これら２つの偏光成分の間に遅延が生じる。遅延はΔｔ＝Δｎ＊Ｌ／ｃであり、ここでΔｎは高速軸と遅軸の間の有効屈折率の差を示す。オフセット角は、これら２つの偏光の間の振幅比を制御するのに用いられ得る。偏光依存の利得又は損失がファイバ区画において関連付けられない場合には、θ＝４５度の角度オフセットは、各偏光状態において等しいパルスエネルギーを取得するのに適用可能である。パルスの分割は、複数のパルスを構成するようにＰＭファイバの追加区画を用いることによってカスケードされ得る。選択的に、偏光子、例えばファイバベースのインライン偏光子は、特定の線形偏光状態においてパルス列を取得するように用いられてもよい。

図９は、入力シードパルスが８個の出力パルスに分割されるＰＭファイバの遅延の例を概略的に示す。この例では、ＰＭファイバの３つの区画がカスケードされ、第１の区画は長さ４Ｌ（下部に４Ｌ_Δｔで示す）を有し、第２の区画は長さ２Ｌ（下部に２Ｌ_Δｔで示す）を有し、第３の区画は長さＬ（下部にＬ_Δｔで示す）を有する。これら３つの区画によって導入される時間遅延は、それぞれ４Δｔ、２Δｔ及びΔｔであり、ここで上記のようにΔｔ＝Δｎ＊Ｌ／ｃである。入力パルスは、４５度の角度オフセットを有する第１のＰＭファイバ区画によって受信される。図９に示すように、第１のＰＭファイバ区画は（偏光成分は、ＰＭファイバの複屈折性に起因して遅軸及び高速軸に沿って異なる速度で進行するので）、時間遅延４Δｔによって分離された２つのパルスに入力パルスを分割する。時間遅延４Δｔによって分離されたこれらの２つのパルスは、ファイバ遅延線の下にプロットで示される。そして、これらの２つのパルスは、９０度（例えば、第１のＰＭファイバ区画に対して４５度のオフセット）に向けられ、高速及び低速で伝搬する一対のパルスに各進入パルスを分割するＰＭファイバの第２の区画（長さ２Ｌを有する）によって受信される。４つのパルスは、ＰＭファイバの第２の区画を通じて伝搬した後に、２Δｔの成分の間に時間遅延を有して存在する（ファイバ遅延線の下にプロットで示される）。そして、４つのパルスは（ＰＭファイバの第２の区画に対して長さＬ及び４５度の角度オフセットを有する）ＰＭファイバの第３の区画に進入し、それはΔｔの時間遅延を有する他の一対のパルスに４つのパルスの各々を分割する（これらのパルスは、ファイバ遅延線の下にプロットで示される）。したがって、長さ４Ｌ、２Ｌ及びＬを有するＰＭファイバの３つの区画の配置のこの例は、初期の入力シードパルスを８個の出力パルスに分割する。インライン偏光子は、特定の線形偏光状態を有する出力パルス列を取得するのに用いられ得る。

図９の例は長さ４Ｌ、２Ｌ及びＬを有する３つのＰＭファイバ区画を含むが、他の実施では、異なる数（例えば、１、２、４、５、１０又はそれ以上）のＰＭファイバ区画が用いられてもよく、ファイバ区画に対して（４Ｌ、２Ｌ、Ｌ以外の）異なる長さ又は長さの組合せが用いられ得る。例えば、図１０を参照してさらに説明するように、ある実施形態では、遅延部は、幾何学的に変動するそれぞれの長さ（例えば、長さＬ、２Ｌ、４Ｌ、．．．、２^Ｎ－１Ｌ）を有する数ＮのＰＭファイバ区画を備え、それは連続する出力パルス間に時間遅延Δｎ＊Ｌ／ｃを有する２^Ｎ個の出力パルスの列を生成することができる。数Ｎは、種々の実施形態において１～１０以上の範囲にあり得る。多数の変更が考えられる。

図１０は、複数のパルスのためのパルス遅延生成システムの例を示す。このシステムでは、Ｎ＋１個の２×２ファイバベースのカプラ、例えば、３ｄＢカプラのＣ_１、Ｃ_２、．．．、Ｃ_Ｎ及びＣ_Ｎ＋１が相互に直列に接続され、第１のカプラＣ_１がシード源からパルスを受信する。一対のファイバアームは、それぞれのカプラの各対の間に配設され、対のアームの一方は他方のアームのファイバ長よりも長いファイバ長を有する。各アームの間のファイバ長の差は、図１０で概略的に示すように、等比数列状のｄＬ、２ｄＬ、２^２ｄＬ、．．．、２^{（Ｎ－１）}ｄＬで設定可能である。シードパルスが最短長の差（ｄＬ）を有する第１のカプラ対を通過する場合には、シードパルスはそれらの間にｎｄＬ／ｃの遅延を有する２つのパルスに分割される（ここでｎはファイバの屈折率であり、ｃは真空における光の速度であり、図７に示す遅延線の説明参照）。この第１の対のパルスの各々は、長さの差が２ｄＬに等しい次のカプラ対を通過した後に、遅延０、ｎｄＬ／ｃ、２ｎｄＬ／ｃ及び３ｎｄＬ／ｃを有する全部で４つのパルスが存在するように他の対に分割されることになる。この分割は、時間間隔の空いた（時間遅延した）パルスの列が生成されるように、カプラの連続する各対に対して継続される。図１０に示すシステムを用いて、隣接する各パルス間にｎｄＬ／ｃの遅延を有する合計で２^Ｎ個のパルスが生成され得る。

図１０に示す実施形態では、変調器Ｍ_１、Ｍ_２、．．．、Ｍ_Ｎは、システムがほぼいずれの組合せのパルスでも出力パルスを生成可能なように、カプラＣ_１、Ｃ_２、．．．、Ｃ_Ｎ及びＣ_Ｎ＋１のうちの１つ、一部又はすべての後にアームのうちの１つに（選択的に）配設され得る。図１０は、Ｎ個の変調器を有する実施形態を示す。変調器の例は、オン－オフスイッチであり得る。出力パルスの数は、いずれか１つの変調器がオフに設定されると半数になる。例えば、第１の変調器Ｍ_１がオフになるように設定された場合には、出力パルス列は隣接パルス間に２ｎｄＬ／ｃの遅延（第２のカプラ対によって導入される時間遅延）を有する２^Ｎ－１個のパルスを含む。他の例として、最後の変調器Ｍ_Ｎがオフになるように設定された場合には、出力パルス列は隣接パルス間にｎｄＬ／ｃの遅延を有する２^Ｎ－１個のパルスを含むので、パルス列の幅は半分に低下する。他の変調器をオフになるように設定すると、異なる数のパルス又は異なる組合せのパルス遅延を有するパルス列を作成することができる。図１０に示すパルス遅延の例は等比数列として設定される遅延を用いるが、他の実施形態では、一連の遅延が任意の等級で設定され得る。

追加的態様
第１の態様では、チャープパルス増幅システムがシード光パルスを増幅するように構成され、シード光パルスが複数のパルスに分割され、各隣接パルス間に遅延が適用され、圧縮後の隣接パルス間の遅延は、チャープパルス増幅システムの利得媒体内部の伸張パルス持続時間よりも小さい。

第２の態様では、第１の態様によるチャープパルス増幅システムにおいて、利得媒体が光ファイバを備える。

第３の態様では、第１の態様又は第２の態様によるチャープパルス増幅システムが、フェムト秒からピコ秒の範囲のパルス持続時間を有する超短パルスである圧縮パルスを出力するように構成されたパルス圧縮器をさらに備える。

第４の態様では、第１から第３の態様の任意の１つによるチャープパルス増幅システムが、数十ピコ秒から数ナノ秒の範囲の伸張パルス持続時間を有する伸張パルスを出力するように構成されたパルス伸張器をさらに備える。

第５の態様では、第１から第４の態様の任意の１つによるチャープパルス増幅システムにおいて、遅延は数百フェムト秒から数ナノ秒の範囲にある。

第６の態様では、第１から第５の態様の任意の１つによるチャープパルス増幅システムにおいて、チャープパルス増幅システムの出力は、入力シード光パルスの数よりも多くのパルスを有するパルスパックを備える。

第７の態様では、第６の態様におけるチャープパルス増幅システムにおいて、パルスパックの形態は、隣接シード光パルス間の遅延によって制御される。

第８の態様では、第６の態様又は第７の態様におけるチャープパルス増幅システムにおいて、パルスパックの形態は、増幅パルス間の相互作用によって制御される。

第９の態様では、第１から第８の態様の任意の１つによるチャープパルス増幅システムにおいて、シードパルスを分割するように波長選択的構成要素が用いられる。

第１０の態様では、第９の態様によるチャープパルス増幅システムにおいて、波長選択的構成要素はフィルタを備える。

第１１の態様では、第９の態様又は第１０の態様によるチャープパルス増幅システムにおいて、波長選択的構成要素は回折格子を備える。

第１２の態様では、第９から第１１の態様の任意の１つによるチャープパルス増幅システムにおいて、波長選択的構成要素は光ファイバの入力及び出力を備える。

第１３の態様では、チャープパルス増幅システムにおいて複数のパルスを生成するための方法が提供される。方法は、レーザ源からシードパルスを受信するステップであって、シードパルスは光群遅延分散Ｄ（λ）を有し、ここでλは波長である、受信するステップと、伸張パルス幅を有する伸張パルスを生成するようにシードパルスを伸張するステップと、伸張パルスを、異なる波長を有する複数のパルスを備えるパルスパックに分割するステップと、パルスパックにおける複数のパルスの各々に時間遅延を適用するステップであって、時間遅延は光群遅延分散と同じ符号を有する、適用するステップと、パルスパックにおける複数のパルスの各々を増幅するステップと、パルスパックにおいて複数のパルスの各々を圧縮するステップとを備える。

第１４の態様では、第１３の態様の方法において、時間遅延がΔλ＊Ｄ（λ）より大きく、Δλは隣接伸張パルス間の波長重複部である。

第１５の態様では、第１３の態様又は第１４の態様の方法において、伸張パルスをパルスパックに分割するステップは、伸張パルス又はパルスパックにおけるパルスを一対のパルスに分割するステップと、一対のパルスにおける第１のパルスを一対のパルスにおける第２のパルスに対して遅延させるステップとを備える。

第１６の態様では、第１５の態様の方法において、一対のパルスにおける第１のパルス及び第２のパルスは異なる波長を有する。

第１７の態様では、チャープパルス増幅（ＣＰＡ）システムは、シードパルスを出力するように構成されたシードレーザ源と、シードパルスを伸張して伸張パルスを出力するように構成された伸張器と、伸張パルスの各々を複数のスプリットパルスに分割するように構成された分割器と、複数のスプリットパルスの各々に遅延を適用するように構成された遅延部と、遅延スプリットパルスの各々を増幅するように構成された増幅器と、増幅された遅延スプリットパルスの各々を圧縮して複数の光パルスを出力するように構成された圧縮器とを備える。

第１８の態様では、第１７の態様のＣＰＡシステムにおいて、シードレーザ源はファイバレーザを備える。

第１９の態様では、第１７の態様又は第１８の態様のＣＰＡシステムにおいて、伸張器はファイバベースの伸張器を備える。

第２０の態様では、第１７から第１９の態様の任意の１つのＣＰＡシステムにおいて、分割器は、伸張パルスを異なる波長を有する複数のスプリットパルスに分割するように構成された波長選択的構成要素を備える。

第２１の態様では、第１７から第２０の態様の任意の１つのＣＰＡシステムにおいて、遅延部はカプラ、第１のアーム及び第２のアームを備え、第１のアームの長さは第２のアームよりも長く、カプラは第１のアームと第２のアームの間でパルスを分割するように構成される。

第２２の態様では、第２１の態様のＣＰＡシステムにおいて、カプラは波長分割マルチプレクサを備える。

第２３の態様では、第１７から第２２の態様の任意の１つのＣＰＡシステムにおいて、遅延部は偏光保持（ＰＭ）光ファイバの複数の連結区画を備える。

第２４の態様では、第１７から第２３の態様の任意の１つのＣＰＡシステムにおいて、遅延部は、等比数列状の時間遅延を有するパルスを生成するように構成された複数のファイバベースのカプラを備える。

第２５の態様では、第２４の態様のＣＰＡシステムは、複数の変調器をさらに備える。

第２６の態様では、第１７から第２５の態様の任意の１つのＣＰＡシステムにおいて、遅延スプリットパルスは時間的に分離される。

第２７の態様では、第１７から第２５の態様の任意の１つのＣＰＡシステムにおいて、遅延スプリットパルスは少なくとも部分的に重複し、ＣＰＡシステムによって出力された複数の光パルスは高密度光パルスパックを備える。

追加的情報
このように、本発明が、いくつかの非限定的な実施形態で説明されてきた。実施形態は相互に排他的でなく、１つの実施形態に関連して説明される要素は、所望の設計目標を達成する適切な方法で他の実施形態と組み合わされ、再配置され又は他の実施形態から削除されてもよいことが理解される。いずれかの単一の特徴又は特徴のグループも、各実施形態には必要でなく又は要件とはされない。要素のすべての可能な組合せ及び部分的組合せが、この開示の範囲内に含まれる。

本発明を要約する目的のために、本発明の特定の態様、効果及び新規の特徴がここで説明される。ただし、必ずしもそのような効果がすべて、任意の特定の実施形態により実現されなくてもよいことが理解されるはずである。したがって、本発明は、ここで教示又は提示され得るように他の効果を必ずしも実現しなくとも１以上の効果を実現するように具現化又は実行され得る。

ここで用いられるような「１つの実施形態」、「ある実施形態」又は「実施形態」への言及は、実施形態と関連して説明される特定の要素、特徴、構造又は特色が少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。明細書中の様々な個所における「１つの実施形態では」の語句が現れても、必ずしもすべてが同じ実施形態に言及しない。ここで用いられる条件的言語、とりわけ「ｃａｎ」、「ｃｏｕｌｄ」、「ｍｉｇｈｔ」、「ｍａｙ」、「ｅ．ｇ．」などは、特に断りがない限り、又は用いられるような背景内でその他に理解されない限り、一般的には、他の実施形態は含まないが特定の実施形態は、特定の特徴、要素及び／又はステップを含むことを伝えることを意図している。さらに、本願及び添付の特許請求の範囲で用いられるように冠詞の「ａ」、「ａｎ」又は「ｔｈｅ」は、特に断りがない限り、「１以上」又は「少なくとも１つ」を意味するように解釈されるはずである。

ここで用いられるように、用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」、「ｉｎｃｌｕｄｅｓ」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」、「ｈａｓ」、「ｈａｖｉｎｇ」又はこれらの他の任意の変形は、オープンエンドな用語であり、非排他的な包括を満たすことを意図する。例えば、要素の一覧を備える処理、方法、物品又は装置は、必ずしもそれらの要素のみに限定されることなく、そのような処理、方法、物品又は装置に明示も内在もしていない他の要素を含み得る。さらに、逆のことが明示されていない限り、「又は」は、包括的であり排他的なものではない。例えば、条件Ａ又はＢとは、以下の、Ａは真であり（すなわち存在し）かつＢは偽である（すなわち存在せず）、Ａは偽であり（すなわち存在せず）かつＢは真である（すなわち存在する）、又はＡ及びＢが双方とも真である（すなわち存在する）のうちの任意の１つによって満たされる。ここで用いられるように、項目の一覧「の少なくとも１つ」という語句は、単一の部材を含むそれらの項目の任意の組合せのことをいう。例として、「Ａ、Ｂ又はＣの少なくとも１つ」は、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ａ及びＢ、Ａ及びＣ、Ｂ及びＣ、並びにＡ、Ｂ及びＣを包含することを意図する。語句の「Ｘ、Ｙ及びＺの少なくとも１つ」などの接続語は、明記されない限り、一般的に用いられるような背景で他に理解されて、項目、用語などがＸ、Ｙ又はＺの少なくとも１つであり得ることを伝える。したがって、そのような接続語は、特定の実施形態にＸの少なくとも１つ、Ｙの少なくとも１つ及びＺの少なくとも１つが各々存在する必要があることを想起させるようには一般的には意図されない。

したがって、ここで特定の実施形態のみを具体的に説明したが、それには本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく多くの変形がなされ得ることが分かる。さらに、頭字語は、明細書及び特許請求の範囲を読み易くするために用いられるに過ぎない。これらの頭字語は用いられる用語の普遍性を低下させることを意図されておらず、特許請求の範囲をそこで説明する実施形態に限定するように解釈されるべきでないことに留意すべきである。

Claims (24)

1. シード光パルスを増幅するように構成されたチャープパルス増幅システムであって、
   前記シード光パルスが複数のパルスに分割され、各隣接パルス間に遅延が適用され、
   圧縮後の隣接パルス間の前記遅延が、前記チャープパルス増幅システムの利得媒体の内部の伸張パルス持続時間よりも小さく、
   前記シード光パルスを分割するために波長選択的構成要素が用いられ、
   前記波長選択的構成要素が回折格子を備える、
   チャープパルス増幅システム。
2. 前記利得媒体が光ファイバを備える、請求項１に記載のチャープパルス増幅システム。
3. フェムト秒からピコ秒の範囲のパルス持続時間を有する超短パルスである圧縮パルスを出力するように構成されたパルス圧縮器をさらに備える、請求項１に記載のチャープパルス増幅システム。
4. 数十ピコ秒から数ナノ秒の範囲の伸張パルス持続時間を有する伸張パルスを出力するように構成されたパルス伸張器をさらに備える、請求項１に記載のチャープパルス増幅システム。
5. 前記遅延が数百フェムト秒から数ナノ秒の範囲にある、請求項１に記載のチャープパルス増幅システム。
6. 前記チャープパルス増幅システムの出力が、入力シード光パルスの数よりも多くのパルスを有するパルスパックを備える、請求項１に記載のチャープパルス増幅システム。
7. 前記パルスパックの形態が、隣接シード光パルス間の遅延によって制御される、請求項６に記載のチャープパルス増幅システム。
8. 前記パルスパックの形態が、増幅パルス間の相互作用によって制御される、請求項６に記載のチャープパルス増幅システム。
9. 前記波長選択的構成要素がフィルタを備える、請求項１に記載のチャープパルス増幅システム。
10. 前記波長選択的構成要素が光ファイバの入力及び出力を備える、請求項９に記載のチャープパルス増幅システム。
11. チャープパルス増幅システムにおいて複数のパルスを生成するための方法であって、
    レーザ源からシードパルスを受信するステップであって、前記シードパルスは光群遅延分散Ｄ（λ）を有し、ここでλが波長である、受信するステップと、
    伸張パルス幅を有する伸張パルスを生成するように前記シードパルスを伸張するステップと、
    前記伸張パルスを、異なる波長を有する複数のパルスを備えるパルスパックに分割するステップと、
    前記パルスパックにおける前記複数のパルスの各々に時間遅延を適用するステップであって、前記時間遅延は前記光群遅延分散と同じ符号を有する、適用するステップと、
    前記パルスパックにおける前記複数のパルスの各々を増幅するステップと、
    前記パルスパックにおける前記複数のパルスの各々を圧縮するステップと
    を備える、方法。
12. 前記時間遅延がΔλ＊Ｄ（λ）より大きく、ここでΔλが隣接伸張パルス間の波長重複部である、請求項１１に記載の方法。
13. 前記伸張パルスを前記パルスパックに分割するステップが、
    前記伸張パルス又は前記パルスパックにおけるパルスを一対のパルスに分割するステップと、
    前記一対のパルスにおける第１のパルスを前記一対のパルスにおける第２のパルスに対して遅延させるステップと
    を備える、請求項１１に記載の方法。
14. 前記一対のパルスにおける前記第１のパルス及び前記第２のパルスが異なる波長を有する、請求項１３に記載の方法。
15. シードパルスを出力するように構成されたシードレーザ源と、
    前記シードパルスを伸張して伸張パルスを出力するように構成された伸張器と、
    前記伸張パルスの各々を複数のスプリットパルスに分割するように構成された分割器と、
    前記複数のスプリットパルスの各々に遅延を適用するように構成された遅延部と、
    前記遅延が適用されたスプリットパルスの各々を増幅するように構成された増幅器と、
    増幅された、前記遅延が適用されたスプリットパルスの各々を圧縮して複数の光パルスを出力するように構成された圧縮器と
    を備え、
    前記遅延部がカプラ、第１のアーム及び第２のアームを備え、前記第１のアームの長さは前記第２のアームよりも長く、前記カプラが前記第１のアームおよび前記第２のアームの間でパルスを分割するように構成される、チャープパルス増幅（ＣＰＡ）システム。
16. 前記シードレーザ源がファイバレーザを備える、請求項１５に記載のＣＰＡシステム。
17. 前記伸張器がファイバベースの伸張器を備える、請求項１５に記載のＣＰＡシステム。
18. 前記分割器が、前記伸張パルスを異なる波長を有する前記複数のスプリットパルスに分割するように構成された波長選択的構成要素を備える、請求項１５に記載のＣＰＡシステム。
19. 前記カプラが波長分割マルチプレクサを備える、請求項１５に記載のＣＰＡシステム。
20. 前記遅延部が偏光保持（ＰＭ）光ファイバの複数の連結区画を備える、請求項１５に記載のＣＰＡシステム。
21. 前記遅延部が、等比数列状の時間遅延を有するパルスを生成するように構成された複数のファイバベースのカプラを備える、請求項１５に記載のＣＰＡシステム。
22. 複数の変調器をさらに備える、請求項２１に記載のＣＰＡシステム。
23. 前記遅延が適用されたスプリットパルスが時間的に分離される、請求項１５に記載のＣＰＡシステム。
24. 前記遅延が適用されたスプリットパルスが少なくとも部分的に重複し、前記ＣＰＡシステムによって出力された前記複数の光パルスが高密度光パルスパックを備える、請求項１５に記載のＣＰＡシステム。