JPH10333194A - チャープパルス圧縮装置およびチャープパルス増幅装置 - Google Patents
チャープパルス圧縮装置およびチャープパルス増幅装置Info
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- JPH10333194A JPH10333194A JP10114804A JP11480498A JPH10333194A JP H10333194 A JPH10333194 A JP H10333194A JP 10114804 A JP10114804 A JP 10114804A JP 11480498 A JP11480498 A JP 11480498A JP H10333194 A JPH10333194 A JP H10333194A
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- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
- H01S3/0057—Temporal shaping, e.g. pulse compression, frequency chirping
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- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/37—Non-linear optics for second-harmonic generation
- G02F1/377—Non-linear optics for second-harmonic generation in an optical waveguide structure
- G02F1/3775—Non-linear optics for second-harmonic generation in an optical waveguide structure with a periodic structure, e.g. domain inversion, for quasi-phase-matching [QPM]
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- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/06—Construction or shape of active medium
- H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
- H01S3/067—Fibre lasers
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- H01S3/2308—Amplifier arrangements, e.g. MOPA
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- Lasers (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 簡素で安価で小型のチャープパルス増幅装置
等を提供すること。 【解決手段】 最大パルスエネルギーに関する限界は、
チャープ周期の擬似位相同期（ＱＰＭ）結晶４０を配す
ることにより回避することが出来る。同結晶は、単一素
子の中で第二高調波を発生し、チャープブラッグ格子２
０で伸張されたパルスを圧縮することが出来る。この構
成によれば、装置構成が簡素で小型になり、得られる超
短パルスのエネルギーは実質的に増加する。さらに、こ
のようなＱＰＭ結晶４０を用いれば、第二高調波におけ
る線形および非線形周波数チャープの可変補償が可能と
なる。この性質を使えば、安価な上に小型で丈夫で簡単
な、超短パルスを出力するチャープパルス増幅装置を設
計することが出来る。
等を提供すること。 【解決手段】 最大パルスエネルギーに関する限界は、
チャープ周期の擬似位相同期（ＱＰＭ）結晶４０を配す
ることにより回避することが出来る。同結晶は、単一素
子の中で第二高調波を発生し、チャープブラッグ格子２
０で伸張されたパルスを圧縮することが出来る。この構
成によれば、装置構成が簡素で小型になり、得られる超
短パルスのエネルギーは実質的に増加する。さらに、こ
のようなＱＰＭ結晶４０を用いれば、第二高調波におけ
る線形および非線形周波数チャープの可変補償が可能と
なる。この性質を使えば、安価な上に小型で丈夫で簡単
な、超短パルスを出力するチャープパルス増幅装置を設
計することが出来る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザパルス技術
の技術分野に属し、特にチャープパルス圧縮装置および
チャープパルス増幅装置の技術分野に属する。
の技術分野に属し、特にチャープパルス圧縮装置および
チャープパルス増幅装置の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】チャープパルス増幅は、光増幅器から最
大の超短パルスを得るための一般的な方法である。（Co
mpression of Amplified Chirped Optical Pulses, D.
Strickland and G.Mouro,Opt.Commun.56,219 (1985) を
参照）。特殊な増幅媒質における最大のパルスエネルギ
ーは、飽和光子束によって決定される。しかし、伝播す
る超短光パルスに対しては、受容できない高いピーク強
度は増幅媒質の飽和光子束以下の光子束である。それ
故、増幅媒質の主成分に対して、増幅前に超短パルスを
伸張することが必要である。初期の超短持続時間は、伸
張されたパルスを再圧縮することにより、増幅した後蓄
積されなければならない。チャープパルス増幅をすれ
ば、増幅時のパルス強度を減少させ、超短パルスの非線
形の乱れを避けることが出来る。
大の超短パルスを得るための一般的な方法である。（Co
mpression of Amplified Chirped Optical Pulses, D.
Strickland and G.Mouro,Opt.Commun.56,219 (1985) を
参照）。特殊な増幅媒質における最大のパルスエネルギ
ーは、飽和光子束によって決定される。しかし、伝播す
る超短光パルスに対しては、受容できない高いピーク強
度は増幅媒質の飽和光子束以下の光子束である。それ
故、増幅媒質の主成分に対して、増幅前に超短パルスを
伸張することが必要である。初期の超短持続時間は、伸
張されたパルスを再圧縮することにより、増幅した後蓄
積されなければならない。チャープパルス増幅をすれ
ば、増幅時のパルス強度を減少させ、超短パルスの非線
形の乱れを避けることが出来る。
【０００３】希土類元素をドープしたファイバー増幅器
は、例外的な技術的利点を持った増幅媒質の一つの例で
ある。ファイバーに基づくレーザーまたは増幅器は、レ
ーザーダイオードによって直接ポンピングすることが出
来る。それゆえ、小型で丈夫な装置とすることが出来
る。Ｅｒをドープしたシングルモード・ファイバーにお
ける飽和値は、１０〜１００μＪの範囲のエネルギーを
持った光パルスである。しかし、Ｅｒをドープしたファ
イバーによって、サブピコ秒の光パルスを直接増幅しよ
うとすると、大約ｎＪレベル以上のエネルギーにのみに
限られる。ファイバーの全ての利点を引き出すために
は、増幅前に光パルスの幅を大約０．１〜１ｎｓか、そ
れ以上に伸張することが必要である。
は、例外的な技術的利点を持った増幅媒質の一つの例で
ある。ファイバーに基づくレーザーまたは増幅器は、レ
ーザーダイオードによって直接ポンピングすることが出
来る。それゆえ、小型で丈夫な装置とすることが出来
る。Ｅｒをドープしたシングルモード・ファイバーにお
ける飽和値は、１０〜１００μＪの範囲のエネルギーを
持った光パルスである。しかし、Ｅｒをドープしたファ
イバーによって、サブピコ秒の光パルスを直接増幅しよ
うとすると、大約ｎＪレベル以上のエネルギーにのみに
限られる。ファイバーの全ての利点を引き出すために
は、増幅前に光パルスの幅を大約０．１〜１ｎｓか、そ
れ以上に伸張することが必要である。
【０００４】チャープパルスを増幅する従来の方法で
は、メイン（P.Maine）の論文“Chirped Pulse Amplifi
cation ,IEEE J, Quantum Elect. Vol. 24, No.2, Feb.
1988.”に述べられているように、回折格子による超短
パルス伸張器と圧縮器とが用いられていた。これらの回
折格子の装置は高エネルギーパルスに対して特に有効で
ある。なぜなら回折格子は光による損傷を受けず、ま
た、非常に大きいパルス強度に対する非線型効果にも不
感であるからである。１Ｊ以上のエネルギーを持つ超短
パルスの再圧縮は、このようなパルス圧縮器で行われ
る。回折格子を使った伸張器および圧縮器の欠点は、装
置が大型になることである。ナノ秒またはそれ以上の幅
に伸張されたパルスに対する回折格子による装置は、数
ｍにもなる。典型的な最も小型な装置でも、数１０ｃｍ
である。更に、パルスの位相を厳密に補償するためには
格子を非常に精密に調整する必要がある。この操作は簡
単な仕事ではない。調整が必要であるということは、こ
のような装置は大量生産には向かない事を意味する。
は、メイン（P.Maine）の論文“Chirped Pulse Amplifi
cation ,IEEE J, Quantum Elect. Vol. 24, No.2, Feb.
1988.”に述べられているように、回折格子による超短
パルス伸張器と圧縮器とが用いられていた。これらの回
折格子の装置は高エネルギーパルスに対して特に有効で
ある。なぜなら回折格子は光による損傷を受けず、ま
た、非常に大きいパルス強度に対する非線型効果にも不
感であるからである。１Ｊ以上のエネルギーを持つ超短
パルスの再圧縮は、このようなパルス圧縮器で行われ
る。回折格子を使った伸張器および圧縮器の欠点は、装
置が大型になることである。ナノ秒またはそれ以上の幅
に伸張されたパルスに対する回折格子による装置は、数
ｍにもなる。典型的な最も小型な装置でも、数１０ｃｍ
である。更に、パルスの位相を厳密に補償するためには
格子を非常に精密に調整する必要がある。この操作は簡
単な仕事ではない。調整が必要であるということは、こ
のような装置は大量生産には向かない事を意味する。
【０００５】チャープブラッグ格子によるパルスの伸張
器および圧縮器は、最近、小型なバルクの回折格子に置
き代えることが提唱されている（米国特許第５４９９１
３４号を参照のこと、なお同特許は以後特許’１３４と
略記）。チャープ格子は直接、光学ファイバーの芯に書
き込むことが出来る。チャープ・ファイバーブラッグ格
子を備えた非常に小型な装置は、回折格子を使った装置
に比べてより長く伸張したパルスを出射することが出来
る。チャープ・ファイバー格子の長さＬは伸張パルスの
幅Δτに直接関係する。すなわち、Δτ＝２Ｌ／Ｖｇ
（パルスと格子の空間幅は完全に重畳するとする）であ
る。ここでＶｇは格子ファイバー中の光の群速度であ
る。例えば、ナノ秒に伸張されたパルスは１０ｃｍのフ
ァイバー格子で得られる。このようなチャープ・ファイ
バー・ブラッグ格子はファイバーによる増幅技術と完全
に競合し、小型な全フィバー・チャープ・パルス増幅装置
にすることができる（A. Galvanauskas et al., All-fi
ber Femtosecond Pulse Amplification Circuit Using
Chirped Bragg Grating, Appl. Phys. Lett.,Vol. 66
(9), 27 February 1955 参照）。ファイバー格子装置
の一つの技術的な長所は半導体回路技術と同様、位相マ
スク技術を使うことにより、比較的低価格で多量生産が
出来ることである。
器および圧縮器は、最近、小型なバルクの回折格子に置
き代えることが提唱されている（米国特許第５４９９１
３４号を参照のこと、なお同特許は以後特許’１３４と
略記）。チャープ格子は直接、光学ファイバーの芯に書
き込むことが出来る。チャープ・ファイバーブラッグ格
子を備えた非常に小型な装置は、回折格子を使った装置
に比べてより長く伸張したパルスを出射することが出来
る。チャープ・ファイバー格子の長さＬは伸張パルスの
幅Δτに直接関係する。すなわち、Δτ＝２Ｌ／Ｖｇ
（パルスと格子の空間幅は完全に重畳するとする）であ
る。ここでＶｇは格子ファイバー中の光の群速度であ
る。例えば、ナノ秒に伸張されたパルスは１０ｃｍのフ
ァイバー格子で得られる。このようなチャープ・ファイ
バー・ブラッグ格子はファイバーによる増幅技術と完全
に競合し、小型な全フィバー・チャープ・パルス増幅装置
にすることができる（A. Galvanauskas et al., All-fi
ber Femtosecond Pulse Amplification Circuit Using
Chirped Bragg Grating, Appl. Phys. Lett.,Vol. 66
(9), 27 February 1955 参照）。ファイバー格子装置
の一つの技術的な長所は半導体回路技術と同様、位相マ
スク技術を使うことにより、比較的低価格で多量生産が
出来ることである。
【０００６】チャープファイバー格子圧縮器は、光学フ
ァイバーによる直接増幅より、本質的に高エネルギーの
出力パルスを得ることが出来る。ファイバー格子は標準
のファイバーに比べ、２〜４桁も大きい分散がある。従
って、回折格子における再圧縮パルスの伝播距離は増幅
用ファイバー中より短く、そして、本質的に、より大き
い尖頭値で非線型効果が起こる。
ァイバーによる直接増幅より、本質的に高エネルギーの
出力パルスを得ることが出来る。ファイバー格子は標準
のファイバーに比べ、２〜４桁も大きい分散がある。従
って、回折格子における再圧縮パルスの伝播距離は増幅
用ファイバー中より短く、そして、本質的に、より大き
い尖頭値で非線型効果が起こる。
【０００７】しかし、ファイバー格子圧縮器から得られ
るエネルギーは、回折格子による圧縮器に比べて限界が
ある。ファイバー格子圧縮器に基づくチャープパルス増
幅（ＣＰＡ）装置は、最大１００ｎＪのエネルギーしか
処理することができない。これは、ファイバー増幅器の
飽和光子束の１００分の１以下である。それ故、ファイ
バー圧縮器を使うことによっては、ファイバー増幅器の
性能を十分に活用していない。
るエネルギーは、回折格子による圧縮器に比べて限界が
ある。ファイバー格子圧縮器に基づくチャープパルス増
幅（ＣＰＡ）装置は、最大１００ｎＪのエネルギーしか
処理することができない。これは、ファイバー増幅器の
飽和光子束の１００分の１以下である。それ故、ファイ
バー圧縮器を使うことによっては、ファイバー増幅器の
性能を十分に活用していない。
【０００８】高エネルギーパルスを利用することが欠か
せない多くの応用例がある。その一つの例は、波長可変
出力装置として広く使われているＣＰＡ原理による光パ
ラメトリック発生装置のファイバー増幅器である。光の
パラメトリックな発生は、ある閾値を超えた励起エネル
ギーでのみ実現される。その閾値とは、通常、ファイバ
ー格子圧縮器で射出できる値よりは大きい。このエネル
ギー的な要請のため、回折格子圧縮器を使わざるをえ
ず、これが上述した理由で欠点となる。
せない多くの応用例がある。その一つの例は、波長可変
出力装置として広く使われているＣＰＡ原理による光パ
ラメトリック発生装置のファイバー増幅器である。光の
パラメトリックな発生は、ある閾値を超えた励起エネル
ギーでのみ実現される。その閾値とは、通常、ファイバ
ー格子圧縮器で射出できる値よりは大きい。このエネル
ギー的な要請のため、回折格子圧縮器を使わざるをえ
ず、これが上述した理由で欠点となる。
【０００９】これに対する一つの解決策は、大きな光束
を処理でき、したがって非線形効果の限界を除くことが
できるバルクのチャープブラッグ回折格子を使うことで
あろう。しかし、この装置は、ブラッグ格子の必要とす
る特性を大容量な光感受性材料に書き込むための本質的
な技術的問題が原因で、まだ実現されていない。部分的
な解決策は、１９９５年５月１９日出願の米国特許出願
第０８／４４５２８７号に開示されている。回折格子圧
縮器を使う不利な点は、若し混成回路が使われると、部
分的にしか解決されないことである。米国特許出願第０
８／４４５２８７号での記載では、ファイバーＣＰＡ装
置はファイバー格子伸張器と圧縮器とから成り、付属の
回折格子圧縮器はファイバー格子圧縮器に直接接続され
ている。ファイバー格子圧縮器の機能は、回折格子圧縮
器の大きさを小さくするために増幅されたパルスを圧縮
することと、ファイバー格子圧縮器の非線形限界を避け
ることとにある。この設計の一つの欠点は、回折格子装
置の大きさと配置とが、単に縮小されているだけで、取
り除かれていないことである。他の欠点は、二つの圧縮
器を通った後のパルスエネルギーの損失が大きいことで
ある。もし、パルス圧縮（例えば、ポンピングと光学的
パラメトリックな生成のために）の後に、第２高調波を
発生させるような周波数変換が必要であるならば、これ
らの損失は増加する。
を処理でき、したがって非線形効果の限界を除くことが
できるバルクのチャープブラッグ回折格子を使うことで
あろう。しかし、この装置は、ブラッグ格子の必要とす
る特性を大容量な光感受性材料に書き込むための本質的
な技術的問題が原因で、まだ実現されていない。部分的
な解決策は、１９９５年５月１９日出願の米国特許出願
第０８／４４５２８７号に開示されている。回折格子圧
縮器を使う不利な点は、若し混成回路が使われると、部
分的にしか解決されないことである。米国特許出願第０
８／４４５２８７号での記載では、ファイバーＣＰＡ装
置はファイバー格子伸張器と圧縮器とから成り、付属の
回折格子圧縮器はファイバー格子圧縮器に直接接続され
ている。ファイバー格子圧縮器の機能は、回折格子圧縮
器の大きさを小さくするために増幅されたパルスを圧縮
することと、ファイバー格子圧縮器の非線形限界を避け
ることとにある。この設計の一つの欠点は、回折格子装
置の大きさと配置とが、単に縮小されているだけで、取
り除かれていないことである。他の欠点は、二つの圧縮
器を通った後のパルスエネルギーの損失が大きいことで
ある。もし、パルス圧縮（例えば、ポンピングと光学的
パラメトリックな生成のために）の後に、第２高調波を
発生させるような周波数変換が必要であるならば、これ
らの損失は増加する。
【００１０】チャープで準位相同期結晶（ＱＰＭ）で
は、チャープを補償し、周波数を変換する能力は、結晶
の二つの鍵となる特性に基づいている。第一の特性は、
典型的な非線形材料であり、これは基本波波長のパルス
と第二高調波のパルスの群速度が、同じ伝播路で異なっ
ているもので、これら二つのパルス間で一時的な消去が
起こることである。第二の特性は、チャープされたＱＰ
Ｍ結晶では、種々の入力波長に対する第二高調波は、パ
ルスの伝播路に沿った種々の空間位置に局在して発生す
ることである。結果的に、基本波長にバンド幅が限定さ
れたパルスがこのような結晶に送り出され、周波数チャ
ープを持った第二高調波パルスが発生する。この第二高
調波（ＳＨ）のパルスの幅ΔＴは、群速度の消失の大き
さによって決定される。すなわち、ΔＴ＝Ｌ／ＶSH−Ｌ
／ＶFundであり、ここで、Ｌは結晶の長さ、ＶSH，Ｖ
Fundはそれぞれ第二高調波、基本波の群速度である。Ｓ
Ｈパルスの周波数バンド幅ΔＶはＱＰＭの時間幅変化
（ＱＰＭチャープバンド幅）の大きさによって与えられ
る。光学的パルスに等価な周波数チャープは、ΔＴ／Δ
Ｖに等しい群速度の分散によって作り出すことができ
る。特記すべきことは、伝播の相対する二方向から発生
する第二高調波のパルスの周波数チャープは互いに逆の
符号を持つことである。
は、チャープを補償し、周波数を変換する能力は、結晶
の二つの鍵となる特性に基づいている。第一の特性は、
典型的な非線形材料であり、これは基本波波長のパルス
と第二高調波のパルスの群速度が、同じ伝播路で異なっ
ているもので、これら二つのパルス間で一時的な消去が
起こることである。第二の特性は、チャープされたＱＰ
Ｍ結晶では、種々の入力波長に対する第二高調波は、パ
ルスの伝播路に沿った種々の空間位置に局在して発生す
ることである。結果的に、基本波長にバンド幅が限定さ
れたパルスがこのような結晶に送り出され、周波数チャ
ープを持った第二高調波パルスが発生する。この第二高
調波（ＳＨ）のパルスの幅ΔＴは、群速度の消失の大き
さによって決定される。すなわち、ΔＴ＝Ｌ／ＶSH−Ｌ
／ＶFundであり、ここで、Ｌは結晶の長さ、ＶSH，Ｖ
Fundはそれぞれ第二高調波、基本波の群速度である。Ｓ
Ｈパルスの周波数バンド幅ΔＶはＱＰＭの時間幅変化
（ＱＰＭチャープバンド幅）の大きさによって与えられ
る。光学的パルスに等価な周波数チャープは、ΔＴ／Δ
Ｖに等しい群速度の分散によって作り出すことができ
る。特記すべきことは、伝播の相対する二方向から発生
する第二高調波のパルスの周波数チャープは互いに逆の
符号を持つことである。
【００１１】しかし、ＱＰＭ結晶を、従来のパルス伸張
器や圧縮器として、直接置き換えることは出来ない。一
つの本質的な相違は、（非線形材料のわずかな本質的な
分散を無視すれば）ＱＰＭ結晶には実際の群速度分散が
ないことである。それ故、ＣＰＭ設計の道具に対しては
必要であるが、基本波パルスを伸張することは出来な
い。また、群速度が消失する値が限られるため、また、
技術的にＱＰＭ結晶の長さが限られるために、ＳＨパル
スに関する伸張パルスの補償量は、ファイバー格子また
は回折格子圧縮器でなし得るより本質的に小さい。
器や圧縮器として、直接置き換えることは出来ない。一
つの本質的な相違は、（非線形材料のわずかな本質的な
分散を無視すれば）ＱＰＭ結晶には実際の群速度分散が
ないことである。それ故、ＣＰＭ設計の道具に対しては
必要であるが、基本波パルスを伸張することは出来な
い。また、群速度が消失する値が限られるため、また、
技術的にＱＰＭ結晶の長さが限られるために、ＳＨパル
スに関する伸張パルスの補償量は、ファイバー格子また
は回折格子圧縮器でなし得るより本質的に小さい。
【００１２】Arboreらは、結晶長さに沿ってチャープさ
れたＱＰＭの時間幅を持った準位相同期（ＱＰＭ）第二
高調波発生器（ＳＨＧ）が、効果的に、第二高調波の波
長における群速度の分散をすることが出来ることを明ら
かにした。この性質のため、基本波入力パルスに対し
て、第二高調波の発生と、第二高調波の出力の一時的な
伸張と圧縮を同時に処理できる独特なデバイスを作るこ
とが出来る。
れたＱＰＭの時間幅を持った準位相同期（ＱＰＭ）第二
高調波発生器（ＳＨＧ）が、効果的に、第二高調波の波
長における群速度の分散をすることが出来ることを明ら
かにした。この性質のため、基本波入力パルスに対し
て、第二高調波の発生と、第二高調波の出力の一時的な
伸張と圧縮を同時に処理できる独特なデバイスを作るこ
とが出来る。
【００１３】A.Galvanauskas, M.Arbore, M.Fejerおよ
びD.Harterらは、ＣＰＡ装置において、チャープされた
ＱＰＭ素子の利用を明らかにしている。本提案は、ファ
イバーを基本とする装置において、チャープされたＱＰ
Ｍ素子の利用に関するものである。
びD.Harterらは、ＣＰＡ装置において、チャープされた
ＱＰＭ素子の利用を明らかにしている。本提案は、ファ
イバーを基本とする装置において、チャープされたＱＰ
Ｍ素子の利用に関するものである。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、最終
的な圧縮器素子として、チャープされた時間幅を準位相
同期する結晶を使うことにより、ファイバー格子圧縮器
から得られる再圧縮されたパルスのピーク強さとエネル
ギーに関する、上述の限界を避けることである。このこ
とにより、伸張器／圧縮器の配置の小型化をそのまま生
かしつつ、チャープされたパルスの増幅装置から得ら
れ、周波数変換され、再圧縮されたパルスのエネルギー
は本質的に増加することになる。
的な圧縮器素子として、チャープされた時間幅を準位相
同期する結晶を使うことにより、ファイバー格子圧縮器
から得られる再圧縮されたパルスのピーク強さとエネル
ギーに関する、上述の限界を避けることである。このこ
とにより、伸張器／圧縮器の配置の小型化をそのまま生
かしつつ、チャープされたパルスの増幅装置から得ら
れ、周波数変換され、再圧縮されたパルスのエネルギー
は本質的に増加することになる。
【００１５】バンド幅の限界に近いか、限界そのものに
密着した持続時間をもつ第二高調波パルスを得るため
に、ファイバー増幅器から得られ、基本波長パルスの線
形と非線形の周波数チャープをともに補償するチャープ
された時間幅に準位相同期する材料を使うことが、本発
明の更なる目的である。このことにより、ファイバーチ
ャープパルス増幅器で起こる種々の問題（伸張器と圧縮
器との間の位相ずれ、またはファイバー増幅器における
非線形変調などが原因となって発振器から発生する非線
形チャープを補正することなど）を回避することが出来
る。また、任意のチャープを補償する能力により、より
短い第二高調波パルスを得るための非線形のスペクトル
伸張技術が開発でき、そして限られた増幅バンド幅によ
り起こる限界を軽減できる。
密着した持続時間をもつ第二高調波パルスを得るため
に、ファイバー増幅器から得られ、基本波長パルスの線
形と非線形の周波数チャープをともに補償するチャープ
された時間幅に準位相同期する材料を使うことが、本発
明の更なる目的である。このことにより、ファイバーチ
ャープパルス増幅器で起こる種々の問題（伸張器と圧縮
器との間の位相ずれ、またはファイバー増幅器における
非線形変調などが原因となって発振器から発生する非線
形チャープを補正することなど）を回避することが出来
る。また、任意のチャープを補償する能力により、より
短い第二高調波パルスを得るための非線形のスペクトル
伸張技術が開発でき、そして限られた増幅バンド幅によ
り起こる限界を軽減できる。
【００１６】本発明のもう一つの目的は、パルス増幅装
置の設計と製作における公差と不確定性を許容するた
め、チャープＱＰＭ結晶の調整可能な位相特性を実現す
ることである。また、このように調整が可能であること
により、パルス持続時間を最も短くするための正確なチ
ャープ補償をすることができる。ＱＰＭ構造が二次元で
ある有利性によって、このような調整をすることが出来
る。このことは本質的に一次元であるファイバー格子圧
縮器と対照的である。
置の設計と製作における公差と不確定性を許容するた
め、チャープＱＰＭ結晶の調整可能な位相特性を実現す
ることである。また、このように調整が可能であること
により、パルス持続時間を最も短くするための正確なチ
ャープ補償をすることができる。ＱＰＭ構造が二次元で
ある有利性によって、このような調整をすることが出来
る。このことは本質的に一次元であるファイバー格子圧
縮器と対照的である。
【００１７】従来よりもっと小型で、丈夫で、簡単なパ
ルス増幅装置にすることが出来るチャープＱＰＭ結晶を
使うことが、本発明の次の目的である。また、最大のエ
ネルギーを生成し、増幅出力を圧縮し、周波数変換する
とき、パルスの性質と持続時間の損失を最少にするた
め、チャープＱＰＭ結晶を用いることが、本発明のまた
の目的でもある。
ルス増幅装置にすることが出来るチャープＱＰＭ結晶を
使うことが、本発明の次の目的である。また、最大のエ
ネルギーを生成し、増幅出力を圧縮し、周波数変換する
とき、パルスの性質と持続時間の損失を最少にするた
め、チャープＱＰＭ結晶を用いることが、本発明のまた
の目的でもある。
【００１８】発明の目的は、結合した圧縮器を用いるこ
とにより達成できる。この結合した圧縮器は、チャープ
格子圧縮器とチャープＱＰＭ結晶とから構成されてい
る。
とにより達成できる。この結合した圧縮器は、チャープ
格子圧縮器とチャープＱＰＭ結晶とから構成されてい
る。
【００１９】
【発明の実施の形態】本発明のチャープパルス圧縮装置
およびチャープパルス増幅装置の実施の形態について
は、当業者に実施可能な理解が得られるよう、以下の実
施例で明確かつ十分に説明する。 ［実施例１］本発明の実施例１にしたがったチャープ格
子圧縮器とチャープＱＰＭ結晶との組み合わせは、図１
に示されている。伸張された基本波（ＦＨ）パルスは、
ビーム結合装置（ＢＣＡ）１０に入射する。そこで入射
波とチャープブラッグ格子２０からの反射波とは分離さ
れる。図１に示した例では、ＢＣＡ１０は、偏光ビーム
分離器（ＰＢＳ）１２とファラデー回転子（ＦＲ）１４
と半波長板（λ／２）とから構成される。図１の例で
は、他の半波長板（λ／２）３０は、ＢＣＡ１０とチャ
ープＱＰＭ結晶４０との間の光路に置かれている。図１
の例で、半波長板１６，３０は、格子２０とＱＰＭ素子
４０とにそれぞれ正確に偏光を入射するために使われて
いる。半波長板１６，３０によって、この実施例は容易
に実施することが出来る。しかし基本的なものではな
い。
およびチャープパルス増幅装置の実施の形態について
は、当業者に実施可能な理解が得られるよう、以下の実
施例で明確かつ十分に説明する。 ［実施例１］本発明の実施例１にしたがったチャープ格
子圧縮器とチャープＱＰＭ結晶との組み合わせは、図１
に示されている。伸張された基本波（ＦＨ）パルスは、
ビーム結合装置（ＢＣＡ）１０に入射する。そこで入射
波とチャープブラッグ格子２０からの反射波とは分離さ
れる。図１に示した例では、ＢＣＡ１０は、偏光ビーム
分離器（ＰＢＳ）１２とファラデー回転子（ＦＲ）１４
と半波長板（λ／２）とから構成される。図１の例で
は、他の半波長板（λ／２）３０は、ＢＣＡ１０とチャ
ープＱＰＭ結晶４０との間の光路に置かれている。図１
の例で、半波長板１６，３０は、格子２０とＱＰＭ素子
４０とにそれぞれ正確に偏光を入射するために使われて
いる。半波長板１６，３０によって、この実施例は容易
に実施することが出来る。しかし基本的なものではな
い。
【００２０】ＢＣＡ１０に入力される伸張された光学的
パルスは、最初、チャープブラッグ格子２０に送り込ま
れる。入力伸張パルスの幅とチャープブラッグ格子２０
の分散とは、格子におけるパルスの圧縮が不完全である
ように選ばれる。チャープブラッグ格子２０の出力にお
けるパルスは、完全な圧縮に比較して、低いパルスピー
ク強さを持つ。したがって、パルスエネルギーの非線形
効果の限界が緩和される。
パルスは、最初、チャープブラッグ格子２０に送り込ま
れる。入力伸張パルスの幅とチャープブラッグ格子２０
の分散とは、格子におけるパルスの圧縮が不完全である
ように選ばれる。チャープブラッグ格子２０の出力にお
けるパルスは、完全な圧縮に比較して、低いパルスピー
ク強さを持つ。したがって、パルスエネルギーの非線形
効果の限界が緩和される。
【００２１】部分的に再圧縮されたパルスは、ＢＣＡ１
０を通ってチャープＱＰＭ結晶に送られる。第二高調波
の発生と第二高調波（ＳＨ）出力の圧縮が同時に、チャ
ープＱＰＭ結晶４０で行われる。若し、格子圧縮器２０
からの基本波波長パルスの他のチャープが、チャープＱ
ＰＭ結晶４０の設計された位相特性に正確に同期するな
らば、バンド幅が限定されたＳＨ出力が得られる。
０を通ってチャープＱＰＭ結晶に送られる。第二高調波
の発生と第二高調波（ＳＨ）出力の圧縮が同時に、チャ
ープＱＰＭ結晶４０で行われる。若し、格子圧縮器２０
からの基本波波長パルスの他のチャープが、チャープＱ
ＰＭ結晶４０の設計された位相特性に正確に同期するな
らば、バンド幅が限定されたＳＨ出力が得られる。
【００２２】一般的に、チャープ・ブラッグ格子２０は
バルク格子である。しかし、図１に例示するように結合
された圧縮器は、チャープブラッグ格子２０がチャープ
ファイバー格子であるならば、特に有利な点がある。フ
ァイバー格子圧縮器からの圧縮パルスのエネルギーに関
する限界を、図２に示す。１ｃｍ、２ｃｍおよび１０ｃ
ｍ長さのチャープファイバー格子に対する反射率は、無
次元パラメータΓの関数として図示されている。パルス
ピーク強度Ｉ 0 とファイバー格子長さＬとの積は、無次
元パラメータΓ＝４πｎ2ＬＩ0 ／λＡeff に含まれ
る。ここで、Ａeff はファイバーの芯の面積、ｎ2 はフ
ァイバーのカー指数、λは波長である。この図は、格子
長さとパルスピーク強度とに関する大きさの法則を現わ
している。非線形の乱れが、Γ＞０における三つ曲線に
対して認められる。ここで、三つの格子全ての反射能
は、Γの増加とともに減少する。
バルク格子である。しかし、図１に例示するように結合
された圧縮器は、チャープブラッグ格子２０がチャープ
ファイバー格子であるならば、特に有利な点がある。フ
ァイバー格子圧縮器からの圧縮パルスのエネルギーに関
する限界を、図２に示す。１ｃｍ、２ｃｍおよび１０ｃ
ｍ長さのチャープファイバー格子に対する反射率は、無
次元パラメータΓの関数として図示されている。パルス
ピーク強度Ｉ 0 とファイバー格子長さＬとの積は、無次
元パラメータΓ＝４πｎ2ＬＩ0 ／λＡeff に含まれ
る。ここで、Ａeff はファイバーの芯の面積、ｎ2 はフ
ァイバーのカー指数、λは波長である。この図は、格子
長さとパルスピーク強度とに関する大きさの法則を現わ
している。非線形の乱れが、Γ＞０における三つ曲線に
対して認められる。ここで、三つの格子全ての反射能
は、Γの増加とともに減少する。
【００２３】図２に示すように、三つの曲線全ては低い
Γ値で重なる。非線形の乱れの閾値（Γ≒１０）におい
て、得られるピーク強度、したがってエネルギーは、格
子長さおよび再圧縮パルスピーク強度と一次の関係にあ
ることを示している。例えば、標準的なファイバーにお
ける１０ｃｍ格子では、５０ｎＪ以上のエネルギーを持
った乱れの無い５００ｆｓのパルスが得られる。２ｃｍ
格子では５倍大きいパルスエネルギーが得られる。同じ
尺度は、パルス幅にも同様に適用できることが明らかで
ある。５ｐｓのパルスに対する非線型効果の閾値におけ
るパルスエネルギーは、５００ｆｓに対するより約１０
倍大きい。この解析により、ファイバー格子を適当な長
さに選び、十分長いチャープＱＰＭ結晶を用いることに
より、再圧縮ＳＨパルスエネルギーは数マイクロジュー
ルになることが明らかになった。本発明から得られる大
きな利点である一つの応用は、フェムト秒パルスの波長
の可変範囲が広い、ファイバーから成る小型な光学的パ
ラメトリック発生装置である。
Γ値で重なる。非線形の乱れの閾値（Γ≒１０）におい
て、得られるピーク強度、したがってエネルギーは、格
子長さおよび再圧縮パルスピーク強度と一次の関係にあ
ることを示している。例えば、標準的なファイバーにお
ける１０ｃｍ格子では、５０ｎＪ以上のエネルギーを持
った乱れの無い５００ｆｓのパルスが得られる。２ｃｍ
格子では５倍大きいパルスエネルギーが得られる。同じ
尺度は、パルス幅にも同様に適用できることが明らかで
ある。５ｐｓのパルスに対する非線型効果の閾値におけ
るパルスエネルギーは、５００ｆｓに対するより約１０
倍大きい。この解析により、ファイバー格子を適当な長
さに選び、十分長いチャープＱＰＭ結晶を用いることに
より、再圧縮ＳＨパルスエネルギーは数マイクロジュー
ルになることが明らかになった。本発明から得られる大
きな利点である一つの応用は、フェムト秒パルスの波長
の可変範囲が広い、ファイバーから成る小型な光学的パ
ラメトリック発生装置である。
【００２４】チャープＱＰＭ結晶における材料の第三高
調波光の非線形に起因する位相の乱れは、限界が無いこ
とに注意する必要がある。第一に、第二次の高調波光の
非線形性は、第三次の非線形に比べて非常に多い。第二
に、非線形結晶における過剰なピーク強度は、結晶中で
ビームを単純に広げることにより、避けることが出来
る。非線形チャープを補償するためのチャープＱＰＭ結
晶を用いることの利点は、擬似的に位相が同期する周期
がブラグ格子の時間より長いということに繋がる。ブラ
ッグ格子周期ΛB は、材料の屈折率ｎできまり、２ｎΛ
B ＝λである。周期的に極性を持つＱＰＭ材料における
領域反転周期ΛQPM は、基本波と第二高調波との波長の
屈折率の差Δｎにより、２ΔｎΛQPM＝λの関係で決定
される。このために、これらの周期の間に二桁の大きさ
の違いが生ずる。例えば、ガラスファイバー中の１５５
０ｎｍにおけるブラッグ周期は約５００ｎｍで、一方、
１５５０ｎｍで第二高調波を発生するリチウムナイオベ
ートに対するＱＰＭ周期は約２０ｎｍである。このよう
な格子を書き込む精度に関しては、写真製版上の限界が
あるから、任意のチャープブラッグ格子を設計すること
には技術的能力の限界がある。これに対して、任意のチ
ャープＱＰＭ格子は、標準的なリソグラフィー技術を使
って容易に作ることが出来る。
調波光の非線形に起因する位相の乱れは、限界が無いこ
とに注意する必要がある。第一に、第二次の高調波光の
非線形性は、第三次の非線形に比べて非常に多い。第二
に、非線形結晶における過剰なピーク強度は、結晶中で
ビームを単純に広げることにより、避けることが出来
る。非線形チャープを補償するためのチャープＱＰＭ結
晶を用いることの利点は、擬似的に位相が同期する周期
がブラグ格子の時間より長いということに繋がる。ブラ
ッグ格子周期ΛB は、材料の屈折率ｎできまり、２ｎΛ
B ＝λである。周期的に極性を持つＱＰＭ材料における
領域反転周期ΛQPM は、基本波と第二高調波との波長の
屈折率の差Δｎにより、２ΔｎΛQPM＝λの関係で決定
される。このために、これらの周期の間に二桁の大きさ
の違いが生ずる。例えば、ガラスファイバー中の１５５
０ｎｍにおけるブラッグ周期は約５００ｎｍで、一方、
１５５０ｎｍで第二高調波を発生するリチウムナイオベ
ートに対するＱＰＭ周期は約２０ｎｍである。このよう
な格子を書き込む精度に関しては、写真製版上の限界が
あるから、任意のチャープブラッグ格子を設計すること
には技術的能力の限界がある。これに対して、任意のチ
ャープＱＰＭ格子は、標準的なリソグラフィー技術を使
って容易に作ることが出来る。
【００２５】［実施例２］本発明の実施例２を実施する
方法は、図３に示されている。実施例２によれば、基本
波長におけるパルスには、共に伸張と圧縮とがなされて
いる。実施例２の装置には、超短光パルスの光源（図示
されていない）、チャープ格子の伸張器／圧縮器２２、
分散制御用の素子２５、光増幅器５０、チャープ格子の
伸張器／圧縮器２２における入射ビームと反射ビームと
を分離する光路に配置された種々の光学素子、それにチ
ャープＱＰＭ素子などが含まれている。光学的増幅器５
０は、好ましくはファイバー増幅器で、一段または数段
から構成されている。
方法は、図３に示されている。実施例２によれば、基本
波長におけるパルスには、共に伸張と圧縮とがなされて
いる。実施例２の装置には、超短光パルスの光源（図示
されていない）、チャープ格子の伸張器／圧縮器２２、
分散制御用の素子２５、光増幅器５０、チャープ格子の
伸張器／圧縮器２２における入射ビームと反射ビームと
を分離する光路に配置された種々の光学素子、それにチ
ャープＱＰＭ素子などが含まれている。光学的増幅器５
０は、好ましくはファイバー増幅器で、一段または数段
から構成されている。
【００２６】図３に示されている装置は、チャープＱＰ
Ｍ素子４０を除いて、前述した特許‘１３４でに記述し
たものと同じ構図である。光学的部品をここに示した構
図およびそれらの配置に選んだ基準は、前述の‘１３４
特許に詳述されている。実施例２の応用装置には、単一
の伸張器／圧縮器格子２２または二つの分離用格子（一
つはパルスの伸張用、一つは圧縮用）が装備されてい
る。格子は、好ましくはチャープファイバー格子であ
る。
Ｍ素子４０を除いて、前述した特許‘１３４でに記述し
たものと同じ構図である。光学的部品をここに示した構
図およびそれらの配置に選んだ基準は、前述の‘１３４
特許に詳述されている。実施例２の応用装置には、単一
の伸張器／圧縮器格子２２または二つの分離用格子（一
つはパルスの伸張用、一つは圧縮用）が装備されてい
る。格子は、好ましくはチャープファイバー格子であ
る。
【００２７】分散制御は、例えば、群速度分散の正の符
号を持った分散補償ファイバーで行われる。しかし、
‘１３４特許で明らかにされた装置とは対照的に、本発
明の実施例２における分散制御素子２５として、分散補
償ファイバーが使われるとき、ファイバーによって、全
システムの零ではない正味の分散が設定される。この零
ではない正味の分散は、格子伸張器／圧縮器２２の出力
において、伸張されたパルスチャープの小さく制御可能
な量を生成するのに必要である。この残余のチャープ
は、チャープＱＰＭ結晶４０の作用によって、第二高調
波の波長において、完全にまたは部分的に補償される。
または、必要とされる残りのチャープは、伸張器および
圧縮器の格子の位相特性の不一致の結果から発生する
（すなわち、チャープブラッグ格子２２が二つに分離さ
れた格子から成るとき）。
号を持った分散補償ファイバーで行われる。しかし、
‘１３４特許で明らかにされた装置とは対照的に、本発
明の実施例２における分散制御素子２５として、分散補
償ファイバーが使われるとき、ファイバーによって、全
システムの零ではない正味の分散が設定される。この零
ではない正味の分散は、格子伸張器／圧縮器２２の出力
において、伸張されたパルスチャープの小さく制御可能
な量を生成するのに必要である。この残余のチャープ
は、チャープＱＰＭ結晶４０の作用によって、第二高調
波の波長において、完全にまたは部分的に補償される。
または、必要とされる残りのチャープは、伸張器および
圧縮器の格子の位相特性の不一致の結果から発生する
（すなわち、チャープブラッグ格子２２が二つに分離さ
れた格子から成るとき）。
【００２８】入射波と反射波との分離は、構成要素を変
えることによって行うことが出来る。構成要素は、５
０：５０の光スプリッタ、光回転子、およびファラデー
回転子を持つ偏光スプリッタなどである。図３の例示
は、チャープ・ブラッグ格子伸張器／圧縮器２２の伸張
器側に、偏光スプリッタ１２Ａとファラデー回転子１４
Ａと半波長板１６Ａとを使用し、また、チャープ・ブラ
ッグ格子伸張器／圧縮器２２の圧縮側には、偏光スプリ
ッタ１２Ｂとファラデー回転子１４Ｂと半波長板１６Ｂ
とを使っている。
えることによって行うことが出来る。構成要素は、５
０：５０の光スプリッタ、光回転子、およびファラデー
回転子を持つ偏光スプリッタなどである。図３の例示
は、チャープ・ブラッグ格子伸張器／圧縮器２２の伸張
器側に、偏光スプリッタ１２Ａとファラデー回転子１４
Ａと半波長板１６Ａとを使用し、また、チャープ・ブラ
ッグ格子伸張器／圧縮器２２の圧縮側には、偏光スプリ
ッタ１２Ｂとファラデー回転子１４Ｂと半波長板１６Ｂ
とを使っている。
【００２９】図３の配置の特長は、同じ格子２２が伸張
器と圧縮器ともに使われていることである。格子２２の
不完全性（すなわち、格子周期の不規則あるいは格子２
２に沿った屈折率の変化）反射パルスの質に影響する。
しかし、もし、伸張と再圧縮に同じ格子が使われるなら
ば、縦の不整は打ち消される。そして、再圧縮されたパ
ルスの歪は最小になる。
器と圧縮器ともに使われていることである。格子２２の
不完全性（すなわち、格子周期の不規則あるいは格子２
２に沿った屈折率の変化）反射パルスの質に影響する。
しかし、もし、伸張と再圧縮に同じ格子が使われるなら
ば、縦の不整は打ち消される。そして、再圧縮されたパ
ルスの歪は最小になる。
【００３０】本発明の結合された圧縮器の技術的な魅力
は、ファイバー格子伸張器／圧縮器２２とチャープＱＰ
Ｍ素子４０とが、光学的印刷技術を使って大量生産出来
ることである。チャープの準位相同期された非線形素子
４０を作るには材料を変えることが適当である。高エネ
ルギーにするには、ウエーブガイド素子よりむしろバル
ク結晶を使う方が良い。バルク結晶には、ビームの大き
さの制限が無く、またウエーブガイドへの結合損失も無
いからである。しかし、伝播モードの閉じ込めのため、
比較的低い入力ピーク強度で高い変換効率が得られると
きは、低いパルスエネルギーにおいてはウエーブガイド
が適当である。非線形結晶としては、たとえば、周期的
に極性を示すリチウムナイオベート（ＰＰＬＮ）、周期
的にポーリングされるリチウムタンタレート（ＰＰＬ
Ｔ）、または、周期的にポーリングされる強誘電材料を
挙げることが出来る。同様な性質をもつ他の材料をも、
使うことが出来る。
は、ファイバー格子伸張器／圧縮器２２とチャープＱＰ
Ｍ素子４０とが、光学的印刷技術を使って大量生産出来
ることである。チャープの準位相同期された非線形素子
４０を作るには材料を変えることが適当である。高エネ
ルギーにするには、ウエーブガイド素子よりむしろバル
ク結晶を使う方が良い。バルク結晶には、ビームの大き
さの制限が無く、またウエーブガイドへの結合損失も無
いからである。しかし、伝播モードの閉じ込めのため、
比較的低い入力ピーク強度で高い変換効率が得られると
きは、低いパルスエネルギーにおいてはウエーブガイド
が適当である。非線形結晶としては、たとえば、周期的
に極性を示すリチウムナイオベート（ＰＰＬＮ）、周期
的にポーリングされるリチウムタンタレート（ＰＰＬ
Ｔ）、または、周期的にポーリングされる強誘電材料を
挙げることが出来る。同様な性質をもつ他の材料をも、
使うことが出来る。
【００３１】図３に示すように、伸張器と圧縮器との両
方を使うことは、ファイバー増幅器からの最大のパルス
エネルギーを得るためには、基本的なことであることを
強調しなければならない。前に説明したように、増幅の
限界となる飽和光子束は、少なくとも１００ピコ秒の持
続時間を持つ伸張パルスを必要とする。いずれのチャー
プＱＰＭ結晶でも、このような大きなチャープを補償を
出来そうもない。これは群速度の不一致の大きな量とＱ
ＰＭ結晶の長さとが、非現実的な値になるからである。
それ故、圧縮器を使うことにより、基本波長パルスのチ
ャープを、困難を伴わずに、実用的なＱＰＭ材料を使っ
て補償できるレベルまで下げることができる。
方を使うことは、ファイバー増幅器からの最大のパルス
エネルギーを得るためには、基本的なことであることを
強調しなければならない。前に説明したように、増幅の
限界となる飽和光子束は、少なくとも１００ピコ秒の持
続時間を持つ伸張パルスを必要とする。いずれのチャー
プＱＰＭ結晶でも、このような大きなチャープを補償を
出来そうもない。これは群速度の不一致の大きな量とＱ
ＰＭ結晶の長さとが、非現実的な値になるからである。
それ故、圧縮器を使うことにより、基本波長パルスのチ
ャープを、困難を伴わずに、実用的なＱＰＭ材料を使っ
て補償できるレベルまで下げることができる。
【００３２】［実施例３］図４に示す本発明の実施例３
では、パルス伸張器は使われていない。図４の増幅器の
構成の詳細（チャープＱＰＭ部品は省いてある）は、前
述の‘１３４特許に述べられている。可変レーザーダイ
オード７０は、エネルギーを限定する飽和光子束までに
増幅するに適合する特性を持ったチャープされた広いバ
ンド幅パルスを、直接出すことが出来る。伸張されたパ
ルスは、増幅器５０に入力され、そして増幅されたパル
スは、偏光ビームスプリッタ１２Ｃを通って、チャープ
ブラッグ圧縮器に入力される。チャープブラッグ圧縮器
２５からの出力は、ＰＢＳ１２ＣによってＱＰＭ素子４
０の方向に変向される。 ［実施例４］本発明の実施例４は、図５に示されてい
る。実施例４によれば、格子圧縮器の段階は共に省略さ
れている。増幅に先立って、発振器５で発生するパルス
は伸張器２６で基本波長において少しだけ伸張される。
ファイバー格子伸張器を使うことが出来るときは、伸張
には極く少量のみが必要であるので、伸張器として標準
ファイバーの切片を使うことが好ましい。かくして簡単
で、安価な装置となる。増幅器５０で増幅されたのち、
伸張器２６で行われる伸張はチャープＱＰＭ素子４０で
補償される。伸張の正確な量は二つの目的点の間の背反
関係を考慮して決められる。すなわち、増幅器におい
て、非線形な位相の乱れを避けるのに、十分低い光パル
スのピーク強度を持ち、そして、第二高調波の変換効率
が十分に達成されるほどのパルスの出力強度があること
である。実験結果から、約５００Ｗ〜１ｋＷのピーク強
度をもつ伸張されたパルスであれば、ファイバー増幅器
と、固体ＱＰＭ材料としてＰＰＬＮを使っても、両方と
も満足されることが明らかになった。
では、パルス伸張器は使われていない。図４の増幅器の
構成の詳細（チャープＱＰＭ部品は省いてある）は、前
述の‘１３４特許に述べられている。可変レーザーダイ
オード７０は、エネルギーを限定する飽和光子束までに
増幅するに適合する特性を持ったチャープされた広いバ
ンド幅パルスを、直接出すことが出来る。伸張されたパ
ルスは、増幅器５０に入力され、そして増幅されたパル
スは、偏光ビームスプリッタ１２Ｃを通って、チャープ
ブラッグ圧縮器に入力される。チャープブラッグ圧縮器
２５からの出力は、ＰＢＳ１２ＣによってＱＰＭ素子４
０の方向に変向される。 ［実施例４］本発明の実施例４は、図５に示されてい
る。実施例４によれば、格子圧縮器の段階は共に省略さ
れている。増幅に先立って、発振器５で発生するパルス
は伸張器２６で基本波長において少しだけ伸張される。
ファイバー格子伸張器を使うことが出来るときは、伸張
には極く少量のみが必要であるので、伸張器として標準
ファイバーの切片を使うことが好ましい。かくして簡単
で、安価な装置となる。増幅器５０で増幅されたのち、
伸張器２６で行われる伸張はチャープＱＰＭ素子４０で
補償される。伸張の正確な量は二つの目的点の間の背反
関係を考慮して決められる。すなわち、増幅器におい
て、非線形な位相の乱れを避けるのに、十分低い光パル
スのピーク強度を持ち、そして、第二高調波の変換効率
が十分に達成されるほどのパルスの出力強度があること
である。実験結果から、約５００Ｗ〜１ｋＷのピーク強
度をもつ伸張されたパルスであれば、ファイバー増幅器
と、固体ＱＰＭ材料としてＰＰＬＮを使っても、両方と
も満足されることが明らかになった。
【００３３】他の方法としては、パルス発振器（すなわ
ち、モード固定のファイバーレーザー）を、わずかにチ
ャープした光パルスを直接発生する発振器５として使う
ことができ、これによって伸張器２６の必要性はなくな
る。圧縮された第二高調波パルスは、増幅パルスを直
接、チャープＱＰＭ素子４０中に発射することにより生
成される。上記に議論した理由のため、この代替法で
は、最大の飽和光子束がパルスエネルギーを限定するこ
とは出来ない。しかし、この構想によれば、ファイバー
増幅器（チャープパルス増幅器に頼ることなく）から直
接得ることができるエネルギーを超えるエネルギーを持
った超短パルスを発生することが出来る。
ち、モード固定のファイバーレーザー）を、わずかにチ
ャープした光パルスを直接発生する発振器５として使う
ことができ、これによって伸張器２６の必要性はなくな
る。圧縮された第二高調波パルスは、増幅パルスを直
接、チャープＱＰＭ素子４０中に発射することにより生
成される。上記に議論した理由のため、この代替法で
は、最大の飽和光子束がパルスエネルギーを限定するこ
とは出来ない。しかし、この構想によれば、ファイバー
増幅器（チャープパルス増幅器に頼ることなく）から直
接得ることができるエネルギーを超えるエネルギーを持
った超短パルスを発生することが出来る。
【００３４】フェムト秒から数ピコ秒へ伸張されたパル
スの幅は、単一のＱＰＭ結晶で補償されうるので、図５
に示した装置では、ナノジュールの１０倍以上のエネル
ギーが得られる。この装置の利点は、圧縮段階が無いの
で、増幅器の構成は図３に示すものより、更に小型で簡
略になる。このことは、或る種の応用に対しては、パル
スエネルギーの限界が重要になる。また、圧縮器と第二
高調波発生作用とが単一素子に結合されたときに、全体
の効率は増加する。付加したパルス圧縮器に常に付きま
とう付加的なエネルギー損失は、実施例４の装置では完
全に除かれる。
スの幅は、単一のＱＰＭ結晶で補償されうるので、図５
に示した装置では、ナノジュールの１０倍以上のエネル
ギーが得られる。この装置の利点は、圧縮段階が無いの
で、増幅器の構成は図３に示すものより、更に小型で簡
略になる。このことは、或る種の応用に対しては、パル
スエネルギーの限界が重要になる。また、圧縮器と第二
高調波発生作用とが単一素子に結合されたときに、全体
の効率は増加する。付加したパルス圧縮器に常に付きま
とう付加的なエネルギー損失は、実施例４の装置では完
全に除かれる。
【００３５】［実施例５］図６に示す本発明の実施例５
によれば、非線形圧縮器２７は、増幅器５０とチャープ
ＱＰＭ素子４０との間に置かれている。非線形圧縮器２
７は、そのスペクトルの伸張によってより短いパルスを
発生する。チャープＱＰＭ素子の周波数変換バンド幅
は、任意の大きさにされうるので、このように伸張する
ことは有利である。
によれば、非線形圧縮器２７は、増幅器５０とチャープ
ＱＰＭ素子４０との間に置かれている。非線形圧縮器２
７は、そのスペクトルの伸張によってより短いパルスを
発生する。チャープＱＰＭ素子の周波数変換バンド幅
は、任意の大きさにされうるので、このように伸張する
ことは有利である。
【００３６】典型的には、パルスバンド幅と、したがっ
て、その持続時間は線形ファイバー増幅器の利得バンド
幅によって限定される。パルスバンド幅を広げる通常の
方法は、自己位相変調、ソリトン圧縮、励起ラマン散乱
などのような非線形効果を採用することである。これは
バルク、またはウエーブガイド構造（光学的なファイバ
ーまたは中空のウエーブガイド）を使うことで実現でき
る。一般に、図３、図４および図６に示す三つのうちい
ずれの実施例においても、非線形圧縮器２７をチャープ
ＱＰＭ素子の前に直接置くことが出来る。しかし、この
ような非線形要素として光学的ファイバーを使うこと
は、技術的に有利である。典型的には、ファイバーはナ
ノジュールからその数十倍までのエネルギー規模におい
て、制御可能な非線形効果を得るのに使われる。それ
故、図６の例では、非線形要素としてファイバーを使う
のが特に有利である。図６での通常の出力は、ナノジュ
ールから数十ナノジュールのエネルギー範囲である。
て、その持続時間は線形ファイバー増幅器の利得バンド
幅によって限定される。パルスバンド幅を広げる通常の
方法は、自己位相変調、ソリトン圧縮、励起ラマン散乱
などのような非線形効果を採用することである。これは
バルク、またはウエーブガイド構造（光学的なファイバ
ーまたは中空のウエーブガイド）を使うことで実現でき
る。一般に、図３、図４および図６に示す三つのうちい
ずれの実施例においても、非線形圧縮器２７をチャープ
ＱＰＭ素子の前に直接置くことが出来る。しかし、この
ような非線形要素として光学的ファイバーを使うこと
は、技術的に有利である。典型的には、ファイバーはナ
ノジュールからその数十倍までのエネルギー規模におい
て、制御可能な非線形効果を得るのに使われる。それ
故、図６の例では、非線形要素としてファイバーを使う
のが特に有利である。図６での通常の出力は、ナノジュ
ールから数十ナノジュールのエネルギー範囲である。
【００３７】非線形要素の後に、チャープＱＰＭを使う
のに、明らかに区別できる二つのモードがある。非線形
要素が正の分散ファイバーを構成していれば、それはス
ペクトル的に広がった伸張されたパルスを発生する。フ
ァイバーと入力パルスのパラメータとを適当に選ぶこと
により、誘起されるチャープは本質的に線形と成り得
る。このチャープは、ＱＰＭ素子４０において、第二高
調波が発生している間に補償される。この場合、チャー
プＱＰＭ結晶の位相特性は、スペクトル的に、かつ、一
時的に伸張された基本波パルスの線形パルスのみを補償
するように設計されなければならない。
のに、明らかに区別できる二つのモードがある。非線形
要素が正の分散ファイバーを構成していれば、それはス
ペクトル的に広がった伸張されたパルスを発生する。フ
ァイバーと入力パルスのパラメータとを適当に選ぶこと
により、誘起されるチャープは本質的に線形と成り得
る。このチャープは、ＱＰＭ素子４０において、第二高
調波が発生している間に補償される。この場合、チャー
プＱＰＭ結晶の位相特性は、スペクトル的に、かつ、一
時的に伸張された基本波パルスの線形パルスのみを補償
するように設計されなければならない。
【００３８】図７は、本発明の考えによる装置から得ら
れた実験結果である。図７には、１５６０ｎｍの初期パ
ルスと、最終的に７８０ｎｍに圧縮されたパルスとの、
自己相関軌跡を示す。初期の基本波パルスは８００ｆｓ
の持続時間であり、第二高調波出力は１００ｆｓまで圧
縮されている。ファイバー発振器から得られる初期に約
４ｎｍのバンド幅のパルスは、圧縮され、Ｅｒドープフ
ァイバーで増幅され、再圧縮され、その後に、１５６０
ｎｍにおいてスペクトル的な広がりが３０ｎｍのパルス
を作るために、正分散長さのファイバーに入射される。
図３に示される、付加的な非線形圧縮ファイバーを伴う
構成に対応する装置は、直接、チャープＱＰＭ素子の前
に置かれる。
れた実験結果である。図７には、１５６０ｎｍの初期パ
ルスと、最終的に７８０ｎｍに圧縮されたパルスとの、
自己相関軌跡を示す。初期の基本波パルスは８００ｆｓ
の持続時間であり、第二高調波出力は１００ｆｓまで圧
縮されている。ファイバー発振器から得られる初期に約
４ｎｍのバンド幅のパルスは、圧縮され、Ｅｒドープフ
ァイバーで増幅され、再圧縮され、その後に、１５６０
ｎｍにおいてスペクトル的な広がりが３０ｎｍのパルス
を作るために、正分散長さのファイバーに入射される。
図３に示される、付加的な非線形圧縮ファイバーを伴う
構成に対応する装置は、直接、チャープＱＰＭ素子の前
に置かれる。
【００３９】もし、負分散ファイバーがスペクトルの伸
張に使われるならば、その出力は、典型的に、圧縮パル
スであり（例えばソリトン）、多分、可成りの量の非線
形周波数チャープを持っている。更に、パルスエネルギ
ーが十分高ければ、分散距離より短い距離でスペクトル
の伸張が効果的に起こる。非線形ファイバー増幅器は、
正および負の分散効果を除くのに十分な短さに作ること
が出来る。かくして、スペクトルの伸張のみが行われ
る。このことにより、高度な非線形チャープが産み出さ
れる。ＱＰＭ結晶は、スペクトル的に広げられた基本波
パルスのこの非線形周波数チャープを補償するように設
計されなければならない。
張に使われるならば、その出力は、典型的に、圧縮パル
スであり（例えばソリトン）、多分、可成りの量の非線
形周波数チャープを持っている。更に、パルスエネルギ
ーが十分高ければ、分散距離より短い距離でスペクトル
の伸張が効果的に起こる。非線形ファイバー増幅器は、
正および負の分散効果を除くのに十分な短さに作ること
が出来る。かくして、スペクトルの伸張のみが行われ
る。このことにより、高度な非線形チャープが産み出さ
れる。ＱＰＭ結晶は、スペクトル的に広げられた基本波
パルスのこの非線形周波数チャープを補償するように設
計されなければならない。
【００４０】一般的に、上記のことは、明細書に更に述
べるように、本発明に使われる非線形スペクトル伸張部
品の種類によって異なってくる。全ての場合に、チャー
プＱＰＭ結晶は、第二高調波パルスの質を高める付加的
な作用をすることは特記すべきである。非線型効果によ
る典型的な結果である低強度の基盤と翼状の広がりと
は、非線形チャープの補償とＳＨＧ過程の「浄化（クリ
ーニング）」作用によって除くことが出来る。
べるように、本発明に使われる非線形スペクトル伸張部
品の種類によって異なってくる。全ての場合に、チャー
プＱＰＭ結晶は、第二高調波パルスの質を高める付加的
な作用をすることは特記すべきである。非線型効果によ
る典型的な結果である低強度の基盤と翼状の広がりと
は、非線形チャープの補償とＳＨＧ過程の「浄化（クリ
ーニング）」作用によって除くことが出来る。
【００４１】［実施例６］図３および図４に示される位
置にあるファイバー格子圧縮器それ自身は、非線形素子
として役目を果たすことが出来る。これは、非線形効果
が制御出来るエネルギー範囲を拡大することになる。前
に述べたように、ファイバー格子に対してこれらのエネ
ルギーは、標準的なファイバーにおけるより本質的に大
きい。更に、そのエネルギーは、格子長さの尺度をもっ
ている。非線形ファイバー格子圧縮器の種々の長さに対
して、１００ｎＪ〜１μＪの範囲のパルスが得られる。
更に、最高のエネルギーを実現する装置を最適化するた
め、二つのファイバー格子圧縮器を使うことは有利であ
ろう。第一のものは長い物で、線形圧縮器として役に立
つ。そして、第二のものは、非線形圧縮器として役立つ
短い物である。
置にあるファイバー格子圧縮器それ自身は、非線形素子
として役目を果たすことが出来る。これは、非線形効果
が制御出来るエネルギー範囲を拡大することになる。前
に述べたように、ファイバー格子に対してこれらのエネ
ルギーは、標準的なファイバーにおけるより本質的に大
きい。更に、そのエネルギーは、格子長さの尺度をもっ
ている。非線形ファイバー格子圧縮器の種々の長さに対
して、１００ｎＪ〜１μＪの範囲のパルスが得られる。
更に、最高のエネルギーを実現する装置を最適化するた
め、二つのファイバー格子圧縮器を使うことは有利であ
ろう。第一のものは長い物で、線形圧縮器として役に立
つ。そして、第二のものは、非線形圧縮器として役立つ
短い物である。
【００４２】図８は、本発明の実施例６にしたがった一
般的な配置を示したものである。この例では、線形パル
ス伸張器も線形圧縮器も使われていない。基本的には、
この装置はパルス源（発振器５）、非線形増幅器５５、
それにチャープＱＰＭ素子４０のみから成る。この例で
のエネルギーは、ナノジュールの範囲に限られている。
このような非線形素子（分散の大きさと符号に依存）の
種々の動作モードと、それに続く、ＱＰＭ素子による線
形、非線形チャープの補償とに関する上記の議論は、非
線形ファイバー増幅器にも適用できる。図８の例の第一
の利点は、究極的な簡単化である。パルスエネルギーに
関する限界にも関わらず、それはより高いパルスエネル
ギーを発生することが出来る構成であるが、複雑さが避
けられ、大きさも小さくなる有利さを持っている。
般的な配置を示したものである。この例では、線形パル
ス伸張器も線形圧縮器も使われていない。基本的には、
この装置はパルス源（発振器５）、非線形増幅器５５、
それにチャープＱＰＭ素子４０のみから成る。この例で
のエネルギーは、ナノジュールの範囲に限られている。
このような非線形素子（分散の大きさと符号に依存）の
種々の動作モードと、それに続く、ＱＰＭ素子による線
形、非線形チャープの補償とに関する上記の議論は、非
線形ファイバー増幅器にも適用できる。図８の例の第一
の利点は、究極的な簡単化である。パルスエネルギーに
関する限界にも関わらず、それはより高いパルスエネル
ギーを発生することが出来る構成であるが、複雑さが避
けられ、大きさも小さくなる有利さを持っている。
【００４３】［実施例７，８］図９および図１０に示さ
れる本発明の実施例７および実施例８によれば、それぞ
れの装置には、非線形ファイバー増幅器が線形増幅段の
前に配置されている。このような構成は、スペクトルの
伸張（パルスの短縮）と高いパルスエネルギーを実現で
きる。図９に示される第７の実施例では、非線形増幅器
５５は正の分散ファイバー５６から構成されている。発
振器５から直接入射されたパルスは、続いて正の分散フ
ァイバー５６における非線型効果によって、スペクトル
が伸張される。スペクトル的に伸張されたパルスは、そ
れから光学的伸張器２８により伸張され、線形増幅器６
０に入射し、さらにパルスエネルギーが増加する。
れる本発明の実施例７および実施例８によれば、それぞ
れの装置には、非線形ファイバー増幅器が線形増幅段の
前に配置されている。このような構成は、スペクトルの
伸張（パルスの短縮）と高いパルスエネルギーを実現で
きる。図９に示される第７の実施例では、非線形増幅器
５５は正の分散ファイバー５６から構成されている。発
振器５から直接入射されたパルスは、続いて正の分散フ
ァイバー５６における非線型効果によって、スペクトル
が伸張される。スペクトル的に伸張されたパルスは、そ
れから光学的伸張器２８により伸張され、線形増幅器６
０に入射し、さらにパルスエネルギーが増加する。
【００４４】二つの増幅段の間に挿入された選択可能な
伸張器２８は、例えば正の分散ファイバーの切片か、あ
るいはチャープ・ファイバー格子である。この付加的な
伸張器は、正分散ファイバー５６が用いられれば、付加
することは随意である。そして、それ自体はパルスエネ
ルギーを更に増加させるのに役立つ。負分散、或いは短
い非線形増幅器をこの構成に用いることが出来るが、こ
の場合、二つの増幅段の間の伸張器は必要な部品であ
る。
伸張器２８は、例えば正の分散ファイバーの切片か、あ
るいはチャープ・ファイバー格子である。この付加的な
伸張器は、正分散ファイバー５６が用いられれば、付加
することは随意である。そして、それ自体はパルスエネ
ルギーを更に増加させるのに役立つ。負分散、或いは短
い非線形増幅器をこの構成に用いることが出来るが、こ
の場合、二つの増幅段の間の伸張器は必要な部品であ
る。
【００４５】増幅されたパルスは、チャープＱＰＭ素子
４０に導かれる。ここで誘導されたチャープは、第二高
調波の発生によって補償される。図１０に示される実施
例８では、非線形増幅段５５は完全なＣＰＡ増幅段８０
に繋がっている。特に、ＣＰＡ増幅器８０は非線形増幅
器５５とＱＰＭ素子４０との間に挿入される。例えば、
ＣＰＡ増幅器８０は、図３に示した配置と同じである。
図１０に示した構成では、非線形素子からのパルス出力
は、チャープブラッグ格子２２の中で伸張され、ファイ
バー増幅器５８で増幅され、さらにチャープブラッグ格
子２２で線形に圧縮され、ＱＰＭ素子４０に入射される
ので、精密な非線形増幅器５５には顕著な役割はない
（負か正かのいずれか、または分散長さより短い長さ
で）。
４０に導かれる。ここで誘導されたチャープは、第二高
調波の発生によって補償される。図１０に示される実施
例８では、非線形増幅段５５は完全なＣＰＡ増幅段８０
に繋がっている。特に、ＣＰＡ増幅器８０は非線形増幅
器５５とＱＰＭ素子４０との間に挿入される。例えば、
ＣＰＡ増幅器８０は、図３に示した配置と同じである。
図１０に示した構成では、非線形素子からのパルス出力
は、チャープブラッグ格子２２の中で伸張され、ファイ
バー増幅器５８で増幅され、さらにチャープブラッグ格
子２２で線形に圧縮され、ＱＰＭ素子４０に入射される
ので、精密な非線形増幅器５５には顕著な役割はない
（負か正かのいずれか、または分散長さより短い長さ
で）。
【００４６】図９に示した実施例７に重ねて図１０に示
した実施例８の主な利点は、ファイバー増幅器５８の飽
和光束限界以上のエネルギーを実現する可能性があるこ
とである。図９および図１０に示した構成は、それぞれ
図１１および図１２に示したようなもっと経済的な二重
経路の構成（変形態様）に置き換えることが出来る。図
１１および図１２に示した構成の鍵となる利点は、単一
の増幅器が非線形要素として、またＣＰＡ配置の線形増
幅器として、共に使われていることである。
した実施例８の主な利点は、ファイバー増幅器５８の飽
和光束限界以上のエネルギーを実現する可能性があるこ
とである。図９および図１０に示した構成は、それぞれ
図１１および図１２に示したようなもっと経済的な二重
経路の構成（変形態様）に置き換えることが出来る。図
１１および図１２に示した構成の鍵となる利点は、単一
の増幅器が非線形要素として、またＣＰＡ配置の線形増
幅器として、共に使われていることである。
【００４７】図１１において、発振器５から直接得られ
た超短パルスは、ファイバー増幅器９０に入射し、第一
過程でスペクトルの伸張がなされる。そして伸張器１０
０で伸張されたのち、第二過程でパルスは増幅器９０
で、線形に増幅される。同様な作用は図１２に示した構
成でも期待できる。図１２に示した構成では、圧縮器１
１０を付加的に利用することにより、実質的により長い
パルス、したがってより大きいパルスエネルギーを準備
することが出来る。ファラデー回転子１０５を図１１お
よび図１２の構成に付加することは随意である。二重経
路構成におけるファラデー回転子は、ファイバー素子の
偏光への感度をなくするということは良く知られてい
る。このことは、第二高調波の発生が基本波パルスの入
力偏光に対して敏感であるから、非常に好ましいことで
ある。
た超短パルスは、ファイバー増幅器９０に入射し、第一
過程でスペクトルの伸張がなされる。そして伸張器１０
０で伸張されたのち、第二過程でパルスは増幅器９０
で、線形に増幅される。同様な作用は図１２に示した構
成でも期待できる。図１２に示した構成では、圧縮器１
１０を付加的に利用することにより、実質的により長い
パルス、したがってより大きいパルスエネルギーを準備
することが出来る。ファラデー回転子１０５を図１１お
よび図１２の構成に付加することは随意である。二重経
路構成におけるファラデー回転子は、ファイバー素子の
偏光への感度をなくするということは良く知られてい
る。このことは、第二高調波の発生が基本波パルスの入
力偏光に対して敏感であるから、非常に好ましいことで
ある。
【００４８】一般的に、このように知られた二重径路の
配置は、図３〜８に示すように、線形または非線形の増
幅器または線形の伸張器に使われる。図１３は、ファイ
バー伸張器あるいはファイバー圧縮器に対する基本的な
二重経路の配置を示す。本質的には、二重経路配置を使
うことにより、本発明の上に述べた装置それぞれにおけ
る偏光感度を除くことが可能である。基本波パルスの非
線形チャープに対する補償にチャープＱＰＭ素子を使う
ことは、すでに一部述べた。そこでは、非線形成分にお
けるスペクトルの広がりの効果に対する補償の必要性を
強調した。この非線形チャープの補償は、本発明の他の
視点では、また本質的なことである。たとえば、線形伸
張器と線形圧縮器との間に高次の位相の不一致が存在す
る場合には、非線形に対する補償が必要となる。位相の
不一致は二つのファイバー格子の製造上の限界が原因
で、またはファイバー伸張器と格子圧縮器のような混成
の伸張器・圧縮器の組み合わせが原因で発生する。さら
に、モード固定のレーザーあるいは可変レーザーダイオ
ードなどの発振器から直接発生する非線形チャープを補
償することが必要である（１９９４年９月２９日出願の
米国特許出願第０８／３１２９１２号と、ここに引用さ
れた文献とに明らかにされている）。また、高次の位相
の乱れは、増幅パルスの最高の許容エネルギーで動作す
るとき、線形のファイバー増幅器において伸張された非
線形変調から生ずる。
配置は、図３〜８に示すように、線形または非線形の増
幅器または線形の伸張器に使われる。図１３は、ファイ
バー伸張器あるいはファイバー圧縮器に対する基本的な
二重経路の配置を示す。本質的には、二重経路配置を使
うことにより、本発明の上に述べた装置それぞれにおけ
る偏光感度を除くことが可能である。基本波パルスの非
線形チャープに対する補償にチャープＱＰＭ素子を使う
ことは、すでに一部述べた。そこでは、非線形成分にお
けるスペクトルの広がりの効果に対する補償の必要性を
強調した。この非線形チャープの補償は、本発明の他の
視点では、また本質的なことである。たとえば、線形伸
張器と線形圧縮器との間に高次の位相の不一致が存在す
る場合には、非線形に対する補償が必要となる。位相の
不一致は二つのファイバー格子の製造上の限界が原因
で、またはファイバー伸張器と格子圧縮器のような混成
の伸張器・圧縮器の組み合わせが原因で発生する。さら
に、モード固定のレーザーあるいは可変レーザーダイオ
ードなどの発振器から直接発生する非線形チャープを補
償することが必要である（１９９４年９月２９日出願の
米国特許出願第０８／３１２９１２号と、ここに引用さ
れた文献とに明らかにされている）。また、高次の位相
の乱れは、増幅パルスの最高の許容エネルギーで動作す
るとき、線形のファイバー増幅器において伸張された非
線形変調から生ずる。
【００４９】前述のように、ＱＰＭ構造の二次元性によ
り、位相補償特性を可変に出来る。ＱＰＭ結晶は、決め
られた長さと幅と厚さとを持っている。ＱＰＭ格子は、
その長さ方向に書かれる。ＰＰＬＮまたはＰＰＬＴのよ
うな電気的に分極した材料に対して、ＱＰＭ構造は結晶
の厚さ方向に均質である。しかしＱＰＭパラメーター
は、結晶の幅方向（ビームの伝播方向に垂直）に沿った
位置の関数である。このパラメーターが、ＱＰＭ周期の
スペクトル幅ΔＶであるならば、実質的な分散ΔＴ／Δ
Ｖもまた、幅に沿った位置（固定したＱＰＭ長さ）の関
数である。結晶を光ビームに垂直方向に単純に移動する
ことにより、位相特性はこのような結晶で調整できる。
このような可変の補償は、基本波パルスの線形と非線形
のチャープに対して装置化できる。例えば、ＱＰＭ構造
の線形チャープは、二次元チャープ要素が結晶面を横切
った位置の一次関数にされるとき、固定値に調整するこ
とが出来る。この場合、基本波パルスの線形チャープ
は、約１００ｆｓ以下の時間幅を持ちバンド幅が限定さ
れたパルスを得るためには本質的なことである。
り、位相補償特性を可変に出来る。ＱＰＭ結晶は、決め
られた長さと幅と厚さとを持っている。ＱＰＭ格子は、
その長さ方向に書かれる。ＰＰＬＮまたはＰＰＬＴのよ
うな電気的に分極した材料に対して、ＱＰＭ構造は結晶
の厚さ方向に均質である。しかしＱＰＭパラメーター
は、結晶の幅方向（ビームの伝播方向に垂直）に沿った
位置の関数である。このパラメーターが、ＱＰＭ周期の
スペクトル幅ΔＶであるならば、実質的な分散ΔＴ／Δ
Ｖもまた、幅に沿った位置（固定したＱＰＭ長さ）の関
数である。結晶を光ビームに垂直方向に単純に移動する
ことにより、位相特性はこのような結晶で調整できる。
このような可変の補償は、基本波パルスの線形と非線形
のチャープに対して装置化できる。例えば、ＱＰＭ構造
の線形チャープは、二次元チャープ要素が結晶面を横切
った位置の一次関数にされるとき、固定値に調整するこ
とが出来る。この場合、基本波パルスの線形チャープ
は、約１００ｆｓ以下の時間幅を持ちバンド幅が限定さ
れたパルスを得るためには本質的なことである。
【００５０】［付記］本発明については、好ましい実施
例について記述し図示したが、冒頭の特許請求の範囲に
規定したような発明の精神と視点を離れずに、各種変形
態様が可能であることは、当業者には明らかであろう。
例について記述し図示したが、冒頭の特許請求の範囲に
規定したような発明の精神と視点を離れずに、各種変形
態様が可能であることは、当業者には明らかであろう。
【図１】図１は、チャープ格子圧縮器とチャープＱＰＭ
結晶とを組み合わせた本発明の実施例１の構成を示した
模式図である。
結晶とを組み合わせた本発明の実施例１の構成を示した
模式図である。
【図２】図２は、ファイバー格子圧縮器からの再圧縮パ
ルスエネルギーの限界を示したグラフである。
ルスエネルギーの限界を示したグラフである。
【図３】図３は、本発明の実施例２の一般的な構成を示
した模式図である。
した模式図である。
【図４】図４は、本発明の実施例３の構成を示した模式
図であり、ここではパルス伸張器を使っていない。
図であり、ここではパルス伸張器を使っていない。
【図５】図５は、本発明の実施例４の構成を示した模式
図であり、ここでは増幅器とチャープＱＰＭ素子の間の
圧縮器は省略されている。
図であり、ここでは増幅器とチャープＱＰＭ素子の間の
圧縮器は省略されている。
【図６】図６は、本発明の実施例５の構成を示した模式
図であり、ここではチャープＱＰＭ素子の前に非線形圧
縮器が置かれている。
図であり、ここではチャープＱＰＭ素子の前に非線形圧
縮器が置かれている。
【図７】図７は、１５６０ｎｍの初期パルスと最終的に
７８０ｎｍに圧縮されたパルスとの自己相関の軌跡を示
したグラフである。
７８０ｎｍに圧縮されたパルスとの自己相関の軌跡を示
したグラフである。
【図８】図８は、本発明の実施例６の構成を示す模式図
であり、ここでは非線形素子としてファイバー増幅器が
使われている。
であり、ここでは非線形素子としてファイバー増幅器が
使われている。
【図９】図９は、本発明の実施例７の構成を示す模式図
であり、ここでは線形増幅段の前に非線形ファイバー増
幅器が置かれている。
であり、ここでは線形増幅段の前に非線形ファイバー増
幅器が置かれている。
【図１０】図１０は、本発明の実施例８の構成を示す模
式図であり、ここでは線形増幅段の前に非線形ファイバ
ー増幅器が置かれている。
式図であり、ここでは線形増幅段の前に非線形ファイバ
ー増幅器が置かれている。
【図１１】図１１は、図９の実施例７の変形態様の構成
を示す模式図であり、ここでは二重経路装置が使われて
いる。
を示す模式図であり、ここでは二重経路装置が使われて
いる。
【図１２】図１２は、図１０の実施例８の変形態様の構
成を示す模式図であり、ここでは二重経路装置が使われ
ている。
成を示す模式図であり、ここでは二重経路装置が使われ
ている。
【図１３】図１３は、ファイバー伸張器またはファイバ
ー増幅器に対する基本的な二重経路装置の構成を示した
模式図である。
ー増幅器に対する基本的な二重経路装置の構成を示した
模式図である。
【符号の説明】 ５：発振器 １０：ビーム結合装置（ＢＣＡ） １２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ：偏光ビームスプリッタ
（ＰＢＳ） １４，１４Ａ，１４Ｂ：ファラデー回転子（ＦＲ） １６，１６Ａ，１６Ｂ：半波長板（λ／２） ２０，２２：チャープブラッグ格子 ２５：チャープ
ブラッグ圧縮器 ２５：分散制御素子（ＤＣ） ２６：伸張器 ２７：非線形圧縮器 ２８：伸張器 ３０：半波長板（λ／２） ４０：チャープＱＰＭ（準位相整合）結晶、ＱＰＭ要
素、チャープＱＰＭ素子 ５０：光増幅器 ５５：非線形増幅器 ５６：正の
分散ファイバー ５８：ファイバー増幅器 ６０：線形増幅器 ７０：可変（チューナブル）レーザーダイオード ８０：ＣＰＡ増幅器 ９０：増幅器 １００：伸張
器 １０５：ファラデー回転子（ＦＲ） １１０：圧縮器
１１５：伸張器
（ＰＢＳ） １４，１４Ａ，１４Ｂ：ファラデー回転子（ＦＲ） １６，１６Ａ，１６Ｂ：半波長板（λ／２） ２０，２２：チャープブラッグ格子 ２５：チャープ
ブラッグ圧縮器 ２５：分散制御素子（ＤＣ） ２６：伸張器 ２７：非線形圧縮器 ２８：伸張器 ３０：半波長板（λ／２） ４０：チャープＱＰＭ（準位相整合）結晶、ＱＰＭ要
素、チャープＱＰＭ素子 ５０：光増幅器 ５５：非線形増幅器 ５６：正の
分散ファイバー ５８：ファイバー増幅器 ６０：線形増幅器 ７０：可変（チューナブル）レーザーダイオード ８０：ＣＰＡ増幅器 ９０：増幅器 １００：伸張
器 １０５：ファラデー回転子（ＦＲ） １１０：圧縮器
１１５：伸張器
Claims (55)
- 【請求項１】信号パルスを受信して圧縮し、そこで圧縮
された信号パルスを発生するファイバーを基本とする圧
縮器と、 該圧縮された信号パルスを受信し、さらに圧縮するチャ
ープされた準位相同期（ＰＱＭ）結晶と、を有すること
を特徴とするチャープパルス圧縮装置。 - 【請求項２】前記ファイバーを基本とする圧縮器は、チ
ャープ・ブラッグ格子をもつ、 請求項１記載のチャープパルス圧縮装置。 - 【請求項３】チャープブラッグ格子とチャープされた準
位相同期結晶との間の経路に、さらに少なくとも一つの
半波長板を持つ、 請求項２記載のチャープパルス圧縮装置。 - 【請求項４】前記チャープ・ブラッグ格子は、チャープ・
ファイバー格子をもつ、 請求項２記載のチャープパルス圧縮装置。 - 【請求項５】前記ファイバーを基本とする圧縮器は、非
線形圧縮器をもつ、 請求項１記載のチャープパルス圧縮装置。 - 【請求項６】前記ファイバーを基本とする圧縮器は、分
散ファイバー圧縮器をもつ、 請求項５記載のチャープパルス圧縮装置。 - 【請求項７】前記信号パルスを前記ファイバーを基本と
する圧縮器に直接導き、該ファイバーを基礎とする圧縮
器からの前記圧縮された信号パルスを受け、そして前記
圧縮された信号パルスを前記チャープされた準位相同期
結晶に導くビーム結合装置をさらにもつ、 請求項１記載のチャープパルス圧縮装置。 - 【請求項８】前記準位相同期結晶により受信された前記
圧縮されたパルスは基本波であり、さらに圧縮された第
二高調波パルスが前記準位相同期結晶により発生する、 請求項１記載のチャープパルス圧縮装置。 - 【請求項９】光パルスを受けて増幅しそれによって増幅
されたパルスを発生する増幅器と、 該増幅されたパルスを受けて圧縮しそれによって圧縮さ
れたパルスを発生するファイバーを基本とする圧縮器
と、 該圧縮されたパルスを受けて更に圧縮する準位相同期結
晶と、を有することを特徴とするチャープパルス増幅装
置。 - 【請求項１０】前記増幅器に印加される前に、前記光パ
ルスを受けて伸張する伸張器をさらにもつ、 請求項９記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項１１】前記伸張器と前記増幅器との間に分散制
御素子を有する、 請求項１０記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項１２】前記伸張器に入力される前に、前記光パ
ルスを受けて増幅する非線形増幅器をさらに有する、 請求項１１記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項１３】前記ファイバーを基本とする圧縮器は、
チャープ格子をもち、 前記伸張器は、チャープ格子をもつ、 請求項１０記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項１４】前記光パルスを発生するパルス源をさら
にもつ、 請求項１０記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項１５】前記増幅器は、ファイバー増幅器であ
る、 請求項９記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項１６】前記増幅器は、多段のファイバー増幅器
である、 請求項９記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項１７】前記増幅器によって受けられた前記光パ
ルスは、チャープパルスであり、 該チャープパルスを発生するパルス源をさらに有する、 請求項９記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項１８】前記パルス源は、可変レーザーダイオー
ドである、 請求項１７記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項１９】前記ファイバーを基本とする圧縮器は、
二重経路構成に配設されている、 請求項９記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項２０】前記ファイバーを基本とする圧縮器に前
記信号パルスを直接導き、該ファイバーを基本とする圧
縮器からの前記圧縮された信号パルスを受け、そして該
圧縮された信号パルスを前記チャープ準位相同期結晶に
導くビーム結合装置（ＢＣＡ）をさらに有する、 請求項１９記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項２１】チャープ格子と、 入力信号パルスを該チャープ格子に導き、該チャープ格
子によって伸張された信号パルスを受け、出力端で伸張
されたパルスを供給する第一のビーム結合装置と、 該伸張されたパルスを受けて増幅し、増幅パルスを発生
する増幅器と、 該増幅パルスを受けて該増幅されたパルスを該チャープ
格子に導き、該チャープ格子で圧縮された信号パルスを
受け、出力端で圧縮されたパルスを供給する第二のビー
ム結合装置と、 該圧縮されたパルスを受けて更に圧縮する準位相同期結
晶と、を有することを特徴とするチャープパルス増幅装
置。 - 【請求項２２】前記第一のビーム結合装置と前記増幅器
との間に挿入された分散制御素子をさらに有する、 請求項２１記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項２３】前記第一のビーム結合装置に入力される
前に、前記信号パルスを増幅する非線形増幅器をさらに
有する、 請求項２１記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項２４】チャープパルスを発生するパルス源と、 該チャープパルスを受けて増幅し、増幅されたパルスを
発生する増幅器と、 該増幅されたパルスを受けて圧縮し、圧縮された信号パ
ルスを発生するファイバーを基本とする圧縮器と、 該圧縮された信号パルスを受けて更に圧縮する準位相同
期結晶と、を有することを特徴とするチャープパルス増
幅装置。 - 【請求項２５】前記ファイバーを基本とする圧縮器は、
二重経路配置で配設されている、 請求項２４記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項２６】前記ファイバーを基本とする圧縮器に前
記信号パルスを導き、該ファイバーを基本とする圧縮器
からの前記圧縮された信号パルスを受けて、該圧縮され
た信号パルスを前記位相同期結晶に導くビーム結合装置
をさらに有する、 請求項２５記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項２７】超短パルスを発生するパルス源と、 該超短パルスを伸張し、伸張されたパルスを発生するフ
ァイバーを基本とする伸張器と、 該伸張されたパルスを受けて増幅し、増幅されたパルス
を発生する増幅器と、 該増幅されたパルスを受けて圧縮する準位相同期結晶
と、を有することを特徴とするチャープパルス増幅装
置。 - 【請求項２８】前記増幅器と前記準位相同期結晶との間
に挿入され、該準位相同期結晶に印加される前に前記増
幅されたパルスを受けて再圧縮する圧縮器をさらに有す
る、 請求項２７記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項２９】前記圧縮器は、非線形圧縮器をもつ、 請求項２８記載のチャープパルス増幅装置。
- 【請求項３０】前記パルス源と前記ファイバーを基本と
する伸張器との間に、非線形増幅器をさらに有する、 請求項２７記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項３１】前記超短パルスが前記ファイバーを基本
とする伸張器に達する前に前記増幅器を一度通過し、該
ファイバーを基本とする伸張器で伸張された後に再び該
増幅器を通過するように、該増幅器は前記パルス源と該
ファイバーを基本とする伸張器との間に挿入された二重
経路増幅器である、 請求項２７記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項３２】前記増幅器と前記ファイバーを基本とす
る伸張器との間に挿入されたファラデー回転子をさらに
有する、 請求項３１記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項３３】超短パルスの発生源と、 該超短パルスを受けて増幅し、増幅されたパルスを発生
する非線形増幅器と、 該増幅されたパルスを受けて圧縮する準位相同期結晶
と、を有することを特徴とするチャープパルス増幅装
置。 - 【請求項３４】前記非線形増幅器は、ファイバー増幅器
である、 請求項３３記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項３５】光パルスを受けて増幅し、増幅されたパ
ルスを発生するファイバー増幅器と、 該増幅されたパルスを受けて圧縮し、圧縮されたパルス
を発生する圧縮器と、 該圧縮されたパルスを受けてさらに圧縮する準位相同期
結晶と、を有することを特徴とするチャープパルス増幅
装置。 - 【請求項３６】前記ファイバー増幅器に入力される前
に、前記光パルスを受けて伸張する伸張器をさらに有す
る、 請求項３５記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項３７】前記伸張器と前記ファイバー増幅器との
間に挿入された分散制御素子をさらに有する、 請求項３６記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項３８】前記伸張器に入力される前に、前記光パ
ルスを受けて増幅する非線形増幅器をさらに有する、 請求項３７記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項３９】前記圧縮器は、チャープ格子圧縮器をも
ち、 前記伸張器は、チャープ格子伸張器をもつ、 請求項３６記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項４０】前記光パルスを発生する光源をさらに有
する、 請求項３６記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項４１】前記圧縮器は、ファイバー増幅器であ
る、 請求項３５記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項４２】前記ファイバー増幅器は、多段ファイバ
ー増幅器である、 請求項３５記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項４３】前記ファイバー増幅器が受ける前記光パ
ルスは、チャープパルスであり、 該チャープパルスを発生するパルス源をさらに有する、 請求項３５記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項４４】前記パルス源は、可変レーザーダイオー
ドである、 請求項４３記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項４５】前記圧縮器は、二重経路配置で配設され
ている、 請求項３５記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項４６】前記信号パルスを前記圧縮器に導き、該
圧縮器からの圧縮された信号パルスを受けて、該圧縮さ
れた信号パルスを前記チャープ準位相同期結晶に導くビ
ーム結合装置をさらに有する、 請求項４５記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項４７】チャープパルスを発生するパルス源と、 増幅されたパルスを発生するために、該チャープパルス
を受けて増幅するファイバー増幅器と、 圧縮された信号パルスを発生するために、該増幅された
パルスを受けて圧縮する圧縮器と、 該圧縮された信号パルスを受けて圧縮する準位相同期結
晶と、を有することを特徴とするチャープパルス増幅装
置。 - 【請求項４８】前記圧縮器は、二重経路配置で配設され
ている、 請求項４７記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項４９】前記信号パルスを前記圧縮器に導き、該
圧縮器からの前記圧縮された信号パルスを受けて前記チ
ャープ準位相同期結晶に導くビーム結合装置をさらに有
する、 請求項４８記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項５０】超短パルスを発生するパルス源と、 伸張パルスを発生するために、該超短パルスを伸張する
伸張器と、 増幅されたパルスを発生するために、該伸張されたパル
スを受けて増幅するファイバー増幅器と、 該増幅された信号パルスを受けて圧縮する準位相同期結
晶と、を有することを特徴とするチャープパルス増幅装
置。 - 【請求項５１】前記ファイバー増幅器と前記準位相同期
結晶との間に挿入され、前記準位相同期結晶に入力する
前の前記増幅されたパルスを受けて予備圧縮をする圧縮
器をさらに有する、 請求項５０記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項５２】前記圧縮器は、非線形圧縮器をもつ、 請求項５１記載のチャープパルス増幅装置。
- 【請求項５３】前記パルス源と前記伸張器との間に挿入
された非線形増幅器をさらに有する、 請求項５０記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項５４】前記ファイバー増幅器は、前記超短パル
スが前記伸張器に達する前に該ファイバー増幅器を一度
通過し、該超短パルスが該伸張器で伸張された後に再び
通過するように、該パルス源と該伸張器との間に挿入さ
れた二重経路増幅器である、 請求項５０記載のチャープパルス増幅装置。 - 【請求項５５】前記ファイバー増幅器と前記伸張器との
間に挿入されたファラデー回転子をさらに有する、 請求項５４記載のチャープパルス増幅装置。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/845409 | 1997-04-25 | ||
| US08/845,409 US6198568B1 (en) | 1997-04-25 | 1997-04-25 | Use of Chirped Quasi-phase-matched materials in chirped pulse amplification systems |
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|---|---|
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|---|---|---|---|
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