JP2022523735A

JP2022523735A - Multistage optical parametric module and picosecond pulsed laser source incorporating the module

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Publication number: JP2022523735A
Application number: JP2021544625A
Authority: JP
Inventors: パンチョ・ツァンコフ; アレックス・ユシム; イゴール・サマルツェフ; パンカジ・カドワニ; アレクセイ・アヴドキン; アンドレアス・ヴォーペル
Original assignee: アイピージーフォトニクスコーポレーション
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2020-01-29
Publication date: 2022-04-26
Also published as: WO2020160116A8; WO2020160116A1; KR20210118169A; EP3903387A4; EP3903387A1; CN113366712A

Abstract

多段光パラメトリック（ＯＰ）モジュールは、単一の光経路に沿って配置され、それぞれ、λｐの波長のポンプ光線、λ３の波長の信号光線、およびλｆの波長のＩＲ光線と相互作用する、上流光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）段、複数の中間光パラメトリック増幅段、および出力光パラメトリック増幅段で構成される。ＯＰＡ段は、各々が、単一の光経路に沿ったＯＰＡ段と交番する時間遅延補償（ＴＤＣ）組立体を備える。ＴＤＣ組立体は、各々が、ポンプビームと信号ビームの間の群速度の不整合を補償し、ＩＲビーム、ポンプビーム、および信号ビームをＯＰＡ段間の光経路に沿って案内する一方で、各後続のパラメトリック相互作用後にアイドラビームの伝播を防ぐように構成される。Multistage optical parametric (OP) modules are arranged along a single optical path and interact with upstream light, which interacts with a pump light of wavelength λp, a signal light of wavelength λ3, and an IR light of wavelength λf, respectively. It is composed of a parametric amplification (OPA) stage, a plurality of intermediate optical parametric amplification stages, and an output optical parametric amplification stage. Each OPA stage comprises a time delay compensation (TDC) assembly that alternates with an OPA stage along a single optical path. Each TDC assembly compensates for the group velocity inconsistency between the pump beam and the signal beam and guides the IR beam, pump beam, and signal beam along the optical path between the OPA stages, while each. It is configured to prevent propagation of the idler beam after subsequent parametric interactions.

Description

本発明は、ピコ秒レーザに関する。特に、本開示は、複数の非線形結晶ベースパラメトリック増幅器（ＯＰＡ）段で構成される光パラメトリックモジュールに基づく、高パワー擬似連続（ＱＣＷ）ピコ秒レーザ、およびＯＰＡモジュールを利用する用途に関する。 The present invention relates to a picosecond laser. In particular, the present disclosure relates to high power pseudo-continuous (QCW) picosecond lasers based on an optical parametric module composed of multiple non-linear crystal-based parametric amplifier (OPA) stages, and applications utilizing OPA modules.

多くの科学用途および産業用途では、調整可能な中心波長、可変スペクトル幅を有し、可視周波数範囲の異なるパルス持続時間を有する高い平均パワーパルスレーザを必要とする。赤外線周波数範囲の高パワー単一モード（ＳＭ）レーザが発展してきており、様々な産業で幅広く利用されている一方、一般的には高パワー青色レーザ、具体的には超高速高パワー青色レーザは、数百ワットと少なくとも１ｋＷの間のいずれかの所望のパワー範囲では、まだ実施されていない。 Many scientific and industrial applications require high average power pulsed lasers with adjustable center wavelengths, variable spectral widths, and different pulse durations in the visible frequency range. While high-power single-mode (SM) lasers in the infrared frequency range have evolved and are widely used in various industries, high-power blue lasers in general, specifically ultrafast high-power blue lasers, are Not yet implemented in any desired power range between hundreds of watts and at least 1 kW.

青色レーザ光を生成するための実用的な技術的手法は少ない。１つには、窒化ガリウム（ＧａＮ）に基づいて青色ダイオードレーザを製造することが挙げられる。ＧａＮベースダイオードレーザは、寿命が長いものとしては知られておらず、光効率が制限されてしまう。 There are few practical technical methods for producing blue laser light. One is to manufacture a blue diode laser based on gallium nitride (GaN). GaN-based diode lasers are not known to have a long life and are limited in optical efficiency.

長年にわたり、超高速青色レーザベース発生源の開発に対する最も効果的な手法は、非線形変換、すなわち、Ｋｅｒｒレンズモードロック（ＫＬＭ）Ｔｉ－サファイアレーザ、Ｎｄ－ＹＡＧレーザ、モードロックＥＤＦＡ、およびより近年ではナノ秒（ｎｓ）Ｙｂファイバレーザを含む、モードロックレーザの周波数３倍化および４倍化に基づいていた。 Over the years, the most effective approach to the development of ultrafast blue laser-based sources has been non-linear conversion, namely Kerr Lens Mode Lock (KLM) Ti-Sapphire Laser, Nd-YAG Laser, Mode Lock EDFA, and more recently. It was based on triple and quadruple frequencies of mode-locked lasers, including nanosecond (ns) Yb fiber lasers.

超高速青色レーザ発生源を開発する別の普及している手法は、パラメトリック非線形光デバイスに基づく。特に、緑色ポンプＯＰＡ、光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）、およびＯＰ発生器（ＯＰＧ）は、広い調整範囲および平均パワー拡張性に起因して、魅力的なレーザ発生源である。たとえば、同期ポンプ光パラメトリックデバイスは、広いスペクトル領域にわたって平均パワーを提供する、調整可能なコヒーレント放射の、実行可能な超高速発生源である。 Another popular method for developing ultrafast blue laser sources is based on parametric nonlinear optical devices. In particular, the green pump OPA, optical parametric oscillator (OPA), and OP generator (OPG) are attractive laser sources due to their wide tuning range and average power expandability. Synchronous pump optical parametric devices, for example, are feasible, ultrafast sources of adjustable coherent radiation that provide average power over a wide spectral range.

パラメトリックプロセス中のエネルギ変換則は、下記のとおりである。 The energy conversion law in the parametric process is as follows.

ＳＨＳ／ＳＨＩ－信号／アイドラの２次高調波発生は次式である。 The second harmonic generation of the SHS / SHI-signal / idler is given by the following equation.

ＳＦＳ／ＳＦＩ－信号／アイドラおよびＩＲレーザ波長の和周波数発生（ＳＦＧ） SFS / SFI-Signal / Idler and IR Laser Wavelength Sum Frequency Generation (SFG)

図１は、特許文献１に開示されるような、段階的和周波数パラメトリック増幅器に基づいた青色レーザ発生源の例示の概略図を図示する。この概略図は、既存の青色レーザ発生源を適正に表しており、複数のミラー９によって、２つの異なる光学的アームに沿った、基本周波数とポンプ周波数それぞれにおける光の画分を案内する、スプリッタ１を含む。和周波数調整可能発生器（ＳＦＧ）１４に一緒に光学的に組み合わせると、出力は、レーザ分野の当業者にはよく知られている様式で生成されるそれぞれの異なる周波数で、４つの光信号１７、１８、１９、および２０を含む。スプリッタ、コンバイナ、および複数のミラーを有して示される２つのアームの概略図は、大きい占有面積ならびに複雑な構成を有しており、これらは、パラメトリック増幅に基づいた、既知の青色レーザの大きな欠点である。 FIG. 1 illustrates an exemplary schematic of a blue laser source based on a stepwise sum frequency parametric amplifier as disclosed in Patent Document 1. This schematic is a good representation of an existing blue laser source, a splitter that guides the fraction of light at each of the fundamental and pump frequencies along two different optical arms with multiple mirrors 9. 1 is included. When optically combined with a sum frequency adjustable generator (SFG) 14, the outputs are four optical signals 17 at different frequencies produced in a manner well known to those skilled in the art of lasers. , 18, 19, and 20. Schematic representations of the two arms shown with a splitter, combiner, and multiple mirrors have a large footprint as well as a complex configuration, which are large known blue lasers based on parametric amplification. It is a drawback.

パラメトリックプロセスで使用する様々なＮＬＯの中でもとりわけ、三ホウ酸リチウムＬｉＢ３Ｏ５（ＬＢＯ）ＮＬ結晶は、並外れた損傷抵抗性および無吸収性であること、結果として、他の手段では容易に損傷する場合がある高パワーパラメトリックデバイスに好適であることが判明している。他のホウ酸塩ＮＬ結晶（β型ホウ酸バリウム、ＢａＢ２Ｏ４またはＢＢＯ、およびホウ酸ビスマス、ＢｉＢ３Ｏ６またはＢｉＢＯ）および周期分極ＮＬ結晶（ＰＰＬＴ、ＰＰＬＮ、およびＰＰＫＴＰ）は同様に効果的であってよく、それらがより大きい非線形係数ｄ_ｅｆｆに主に起因して、パラメトリック増幅についてＬＢＯ結晶をしのぐ場合さえある。不運なことに、ＢＢＯおよびＢＩＢＯを使用するときの所望の最小パルスピークパワーは、採用される臨界位相整合条件に起因して、比較的高い。最も一般的な周期分極結晶は、光屈折性または光発色性損傷する傾向があり、このことによって平均パワーの変倍が制限される。さらに様々な用途だけが、高平均パワー青色光から恩恵を被ることができる。パラメトリック変換は、青色光生成に限定されない。パラメトリックプロセスによって生成される他の波長を、様々な産業で有利に使用することができる。 Among the various NLOs used in the parametric process, lithium triborate LiB3O5 (LBO) NL crystals are exceptionally resistant to damage and non-absorbent, and as a result can be easily damaged by other means. It has proven to be suitable for certain high power parametric devices. Other NL borate crystals (β-type barium borate, BaB2O4 or BBO, and bismuth borate, BiB3O6 or BiBO) and periodic polarized NL crystals (PPLT, PPRN, and PPKTP) may be equally effective. They may even outperform LBO crystals for parametric amplification, primarily due to the larger nonlinear coefficient _deff . Unfortunately, the desired minimum pulse peak power when using BBO and BIBO is relatively high due to the critical phase matching conditions adopted. The most common periodic polarized crystals are prone to photorefractive or photochromic damage, which limits the scaling of average power. Moreover, only a variety of applications can benefit from high average power blue light. Parametric transformations are not limited to blue light generation. Other wavelengths produced by parametric processes can be used advantageously in various industries.

米国特許第７，１０６，４９８号明細書U.S. Pat. No. 7,106,498

したがって、光スプリッタおよびコンバイナを特徴として有さない小型構造を有する調整可能な超短パラメトリックモジュールを提供することが望ましい。 Therefore, it is desirable to provide an adjustable ultrashort parametric module with a small structure that does not feature an optical splitter and combiner.

開示されるパラメトリックモジュールと組み合わせたｐｓパルスファイバレーザ発生源を提供することも望ましい。 It is also desirable to provide a ps pulse fiber laser source in combination with the disclosed parametric modules.

本開示の一態様によれば、多段光パラメトリック（ＯＰ）モジュールは、単一の光経路に沿って配置され、それぞれ、λ_ｐの波長のポンプ光線、λ_３の波長の信号光線、およびλ_ｆの波長のＩＲ光線と相互作用する、上流光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）段、複数の中間光パラメトリック増幅段、および出力光パラメトリック増幅段で構成される。ＯＰＡ段は、各々が、単一の光経路に沿ってＯＰＡ段と交番する時間遅延補償（ＴＤＣ）組立体を備える。ＴＤＣ組立体は、各々が、ポンプビームと信号ビームの間の群速度の不整合を補償し、ＩＲビーム、ポンプビーム、および信号ビームをＯＰＡ段間の光経路に沿って案内する一方で、各後続のパラメトリック相互作用後にアイドラビームの伝播を防ぐように構成される。 According to one aspect of the present disclosure, the multistage optical parametric (OP) modules are arranged along a single optical path, a pump light with a wavelength of λ _p , a signal light with a wavelength of λ ₃ , and λ _f , respectively. It is composed of an upstream optical parametric amplification (OPA) stage, a plurality of intermediate optical parametric amplification stages, and an output optical parametric amplification stage that interact with IR rays of the same wavelength. Each OPA stage comprises a time delay compensation (TDC) assembly that alternates with the OPA stage along a single optical path. Each TDC assembly compensates for the group velocity inconsistency between the pump beam and the signal beam and guides the IR beam, pump beam, and signal beam along the optical path between the OPA stages, while each. It is configured to prevent propagation of the idler beam after subsequent parametric interactions.

本開示のさらなる態様によれば、光ポンプは、光パラメトリックモジュールをポンピングする、直線偏波（ＬＰ）ｐｓファイバレーザ発生源で構成される。有利なことに、限定はしないが、開示される発生源は、赤色、緑色、および青色光を同時に出力するために使用することができる。ｐｓレーザ発生源は、１μｍスペクトル範囲の基本波長で出力を生成するために、チャープパルス増幅（ＣＰＡ）技法を使用するモードロックｐｓファイバレーザで構成される。所望の基本波長を適切に選択することによって、発生源は、１００Ｗを超える平均パルスパワーで、赤色光と青色光を同時に出力することができる。たとえば、基本波長は、１０３０ｎｍ、１０４８ｎｍ、１０６０ｎｍおよび１０７１ｎｍからなるグループから選択することができる。 According to a further aspect of the present disclosure, the optical pump comprises a linearly polarized (LP) ps fiber laser source pumping an optical parametric module. Advantageously, but not limited to, the disclosed sources can be used to simultaneously output red, green, and blue light. The ps laser source consists of a mode-locked ps fiber laser that uses the chirped pulse amplification (CPA) technique to generate an output at a fundamental wavelength in the 1 μm spectral range. By properly selecting the desired fundamental wavelength, the source can simultaneously output red and blue light with an average pulse power of over 100 W. For example, the fundamental wavelength can be selected from the group consisting of 1030 nm, 1048 nm, 1060 nm and 1071 nm.

上の態様は、各々が、以下の具体的な記載および請求項に詳細に記載されるように、互いにすべてが構造的に組み合わせることが可能な多くの特徴によって特徴づけられる。各態様の特徴は、レーザ分野の当業者には容易に理解可能な方法で組み合わせることができる。 The above aspects are characterized by a number of features, each of which can be structurally combined with each other, as described in detail in the specific description and claims below. The features of each embodiment can be combined in a manner easily understood by those skilled in the art of lasers.

本開示の上記および他の態様および特徴は、以下の図と組み合わせてより容易に明らかとなろう。 The above and other aspects and features of the present disclosure will be more readily apparent in combination with the figures below.

知られている従来技術にしたがった青色レーザの光概略図である。It is an optical schematic diagram of a blue laser according to a known prior art. 本発明のファイバ光源の概略図である。It is a schematic diagram of the fiber light source of this invention. 図２の本発明のファイバレーザ発生源に組み込まれる赤色光を生成するＯＰＡモジュールの概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram of an OPA module that generates red light incorporated in the fiber laser generation source of the present invention in FIG. 図３Ａの赤色光生成モジュールと組み合わせた、パラメトリック青色光生成モジュールの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the parametric blue light generation module combined with the red light generation module of FIG. 3A. 図３Ａの赤色光生成モジュールと組み合わせた、青色光生成モジュールの別の例を示す図である。It is a figure which shows another example of the blue light generation module combined with the red light generation module of FIG. 3A. ＯＰＡモジュールのさらに別の例を示す図である。It is a figure which shows still another example of OPA module. 本発明のＯＰＡモジュールのさらなる例を示す図である。It is a figure which shows the further example of the OPA module of this invention. １つの具体的な例にしたがった、本発明の青色レーザの詳細光概略図である。It is a detailed optical schematic diagram of the blue laser of this invention according to one specific example. 別の例にしたがった、本発明の青色レーザの詳細光概略図である。It is a detailed optical schematic diagram of the blue laser of this invention according to another example. 開示されるＲＧ光源の青－赤波長の関係を図示する図である。It is a figure which illustrates the relationship of the blue-red wavelength of the disclosed RG light source. 開示されるｐｓファイバレーザベースポンプモジュールの光概略図である。It is an optical schematic diagram of the disclosed ps fiber laser base pump module. 本発明の態様にしたがったパルス複製モジュールの一例の概略図である。It is a schematic diagram of an example of the pulse duplication module according to the aspect of this invention. 本発明の態様にしたがったパルス複製モジュールの別の例の概略図である。It is a schematic diagram of another example of the pulse duplication module according to the aspect of this invention.

ここで、開示されるシステムへの参照が詳細に行われる。可能な場合には、同じまたは同様の部品またはステップを言及するのに、図面および記載中で、同じまたは同様の参照番号が使用される。図面は、簡略化した形式であって、正確な尺度からは遠い。利便性および明瞭性だけのため、「接続する（ｃｏｎｎｅｃｔ）」、「結合する（ｃｏｕｐｌｅ）」、「組み合わせる（ｃｏｍｂｉｎｅ）」という用語および同様の用語は、それらの屈折形態と一緒に、直接で直ちに接続することを必ずしも示しておらず、介在する要素またはデバイスを通した接続をやはり含む。 Here, references to the disclosed systems are made in detail. Where possible, the same or similar reference numbers are used in the drawings and description to refer to the same or similar parts or steps. The drawings are in simplified form and far from an accurate measure. For convenience and clarity only, the terms "connect", "couple", "combine" and similar terms, along with their refraction forms, are used directly and immediately. It does not necessarily indicate a connection and also includes a connection through an intervening element or device.

図２は、互いに光学的に結合される少数のモジュールを含む本発明の光源１０を概略的に図示する図である。ファイバレーザ発生源モジュール１２は、光経路に沿って、たとえば１０３０ｎｍ、１０４８ｎｍ、１０６０ｎｍ、または１０７１ｎｍから選択される基本波長λ_ｆで伝播するｐｓＩＲパルスの列を生成するように動作可能である。ＩＲビームは、ＩＲ光の一部を、ポンプ波長λ_ｐ＝λ_ｆ／２でポンプ光へと変換することによって、ＳＨを生成するために、ポンプ１４のＮＬＯと相互作用する。ポンプ１４は、ファイバレーザ発生源１２をやはり含み、それぞれλ_ｐおよびλ_ｆの波長で、ポンプ光および残りのＩＲ光を出力するポンプモジュール１６の中にパッケージ化することができる。パラメトリックＮＬＯモジュール１８は、ポンプモジュール１６から受け取った出力を処理し、それぞれ信号波長、ポンプ波長、および青色波長で、赤色光、緑色光、および青色光を出力するように構成される。下で開示されるように、様々な構造の例が、本発明の概念を説明する。開示される例のすべてに共通なのは、以下の図により良好に図示されるような、単一の光経路に沿って配置されるいくつかのＯＰＡ段を含むＮＬＯモジュール１８の光概略図である。 FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a light source 10 of the present invention including a small number of modules optically coupled to each other. The fiber laser source module 12 can operate along the optical path to generate a sequence of psIR pulses propagating along the optical path at a fundamental wavelength λ _f selected from, for example, 1030 nm, 1048 nm, 1060 nm, or 1071 nm. The IR beam interacts with the NLO of the pump 14 to generate SH by converting part of the IR light into pump light at the pump wavelength λ _p = λ _{f / 2} . The pump 14 also includes a fiber laser source 12 and can be packaged in a pump module 16 that outputs pump light and the remaining IR light at wavelengths of λ _p and λ _f , respectively. The parametric NLO module 18 is configured to process the output received from the pump module 16 and output red, green, and blue light at the signal wavelength, pump wavelength, and blue wavelength, respectively. As disclosed below, examples of various structures illustrate the concepts of the invention. Common to all of the disclosed examples is an optical schematic of the NLO module 18 containing several OPA stages arranged along a single optical path, as better illustrated in the figure below.

図３Ａ～図３Ｃは、図２のＮＬＯ１６の動作原理および構造を図示する。特に、図３Ａは、各々がＬＢＯ結晶を含む４つのＯＰＡ段を図示する。上流ＯＰＡ１は、７７７～８５４ｎｍ波長範囲の信号ビーム、すなわち赤色光を生成するように構成され、信号ビームは、後続の中間ＯＰＡ２～ＯＰＡ３段を通る光経路に沿って案内され、漸次増幅される。ファイバレーザ発生源１２のピークパワーが数ＭＷに制限されるために、示される概略図は、そこを伝播して発生する光成分の十分な増幅を実現するため、少なくとも３個以上の上流および中間ＬＢＯＯＰＡ段を含むことが必要である。レーザ発生源は、ここでは示されずに下で開示されるが、２次高調波発生器（ＳＨＧ）（図示せず）へと結合されるｐｓＩＲパルスを出力し、その後、ＩＲ光がフィルタ除外される一方で、量子ノイズとともにポンプ波長λ_ｐで生成された緑色光が、上流ＬＢＯＯＰＡ段１へと結合される。結果として、後者は、緑色ポンプ光線、それぞれ、信号波長λ_３での生成した赤色信号ビームおよびアイドラ波長λ_４でのアイドラビームを出力する。 3A-3C illustrate the operating principle and structure of the NLO 16 of FIG. In particular, FIG. 3A illustrates four OPA stages, each containing an LBO crystal. The upstream OPA1 is configured to generate a signal beam in the wavelength range of 777 to 854 nm, i.e., red light, which is guided along an optical path through the subsequent intermediate OPA2 to OPA3 stages and gradually amplified. Due to the peak power of the fiber laser source 12 being limited to a few MW, the schematics shown are at least three upstream and intermediate to achieve sufficient amplification of the light components propagating there. It is necessary to include the LBO OPA stage. The laser source, which is not shown here and is disclosed below, outputs a psIR pulse coupled to a second harmonic generator (SHG) (not shown), after which the IR light is filtered out. On the other hand, the green light generated at the pump wavelength λ _p together with the quantum noise is coupled to the upstream LBO OPA stage 1. As a result, the latter outputs a green pump ray, a red signal beam generated at signal wavelength λ ₃ and an idler beam at idler wavelength λ ₄ , respectively.

超高速ＯＰＡは、ＬＢＯ結晶の出力におけるポンプビームと信号パルスビーム間の群速度の不整合の時間遅延補償（ＴＤＣ）を必要とする。したがって、ＬＢＯＯＰＡ段２の中で赤色信号ビームをさらにパラメトリック増幅する前に、伝播する緑色／ポンプおよび赤色信号ビームが、隣接するＬＢＯＯＰＡ段間のすべてのＯＰＡ段とインラインに配置されるＴＤＣ_１に入射する。要約すると、ＯＰＡモジュール１８は、光経路に沿って互いに交番する、複数のＯＰＡ段およびＴＤＣで構成される。 Ultrafast OPA requires time delay compensation (TDC) for group velocity mismatch between the pump beam and the signal pulse beam at the output of the LBO crystal. Therefore, the propagating green / pump and red signal beams are placed inline with all OPA stages between adjacent LBO OPA stages before further parametric amplification of the red signal beam in the LBO OPA stage ₂ . Incident to. In summary, the OPA module 18 is composed of a plurality of OPA stages and TDCs that alternate with each other along the optical path.

ＴＤＣは、チャープミラー、（アイドラを捨てる）ダイクロイックミラー、および様々な材料から作られ様々な温度で配置される複屈折窓を含むことができる構成要素の光学系である。その結果、たとえば、チャープミラーと材料分散の組合せを使用して、ＬＢＯの温度を変えることだけで、スペクトル調整を達成することができる。 The TDC is a component optical system that can include a chirped mirror, a dichroic mirror (which throws away the idler), and a birefringent window made of different materials and placed at different temperatures. As a result, spectral adjustment can be achieved by simply changing the temperature of the LBO, for example using a combination of chirped mirrors and material dispersion.

上で開示される動作は、示される４つの連続して配置される段ＯＰＡ１～ＯＰＡ４中で赤色信号が増幅されるたびに繰り返される一方で、各ＯＰＡ段で生成されるアイドラは、後続のＯＰＡ段の前に、指定されるＴＤＣ１～ＴＤＣ３によって捨てられる。当業者なら認めるように、アイドラが後続のＯＰＡ段へ結合される場合には、意味のあるパラメトリック相互作用が生じない。示される概略図の出力において、発生源の光は、ダイクロイックミラーなどといったスペクトルフィルタへと入射する。スペクトルフィルタは、増幅赤色信号に対して透過性であり、緑色ポンプ光を指定される出力に反射する。 The operation disclosed above is repeated each time the red signal is amplified in the four consecutively arranged stages OPA1 to OPA4 shown, while the idler produced in each OPA stage is the subsequent OPA. Before the stage, it is discarded by the designated TDC1 to TDC3. As will be appreciated by those skilled in the art, no meaningful parametric interaction will occur if the idler is coupled to a subsequent OPA stage. In the output of the schematic shown shown, the source light is incident on a spectral filter such as a dichroic mirror. The spectral filter is transparent to the amplified red signal and reflects the green pump light to the specified output.

図３Ｂは、図３Ａの構成を有するＯＰＡブロックを図示するが、図２の本発明のモジュール１８の、出力青色光生成ＯＰＡ段の一例を表す。特に、図３Ａの概略図にしたがって増幅される、信号波長λ_３の赤色信号ビームは、２次高調波すなわち青色光線を生成する出力ＬＢＯＳＨＧへとさらに結合される。追加のダイクロイックミラーは、赤色信号ビームを透過するが、生成した青色光線を反射する。 FIG. 3B illustrates an OPA block having the configuration of FIG. 3A, but represents an example of the output blue light generation OPA stage of the module 18 of the present invention of FIG. In particular, the red signal beam of signal wavelength λ ₃ , amplified according to the schematic of FIG. 3A, is further coupled to the output LBO SHG that produces a second harmonic or blue ray. An additional dichroic mirror transmits a red signal beam but reflects the generated blue light.

図３Ｃは、出力青色光および赤色光の両方の偏波を利用する、出力青色光生成ＯＰＡ段の別の例を示す。特に、出力ＯＰＡ段は、光経路に沿って互いから離間される２つのＳＨＧで構成され、２重半波板を含む第４のＴＤＣ４の側面に位置する。モジュール１８の出力において、交差偏波した青色光と残りの赤色光は、図２の発生源１０の出力においてこれらの光を分離する後続のダイクロイックミラーに入射する。図３Ｂおよび図３ＣのＮＬＯモジュール１８の概略図は、下で開示されるようなＲＧＢエンジンで有利に利用される、緑色光、赤色光、および青色光それぞれ用に別個の出力を設けることに留意されたい。 FIG. 3C shows another example of an output blue light generation OPA stage that utilizes the polarization of both output blue light and red light. In particular, the output OPA stage is composed of two SHGs separated from each other along the optical path and is located on the side surface of the fourth TDC 4 including the double wave plate. At the output of module 18, the cross-polarized blue light and the remaining red light are incident on subsequent dichroic mirrors that separate these lights at the output of source 10 of FIG. Note that the schematics of the NLO module 18 of FIGS. 3B and 3C provide separate outputs for green light, red light, and blue light, which are advantageously utilized in RGB engines as disclosed below. I want to be.

図３Ｄおよび図３Ｅそれぞれの概略図は、基本波長λ_ｆにおけるＩＲ光を利用するＮＬＯモジュール１８のどこかが異なる構成を図示しており、その一部は、ここには示さないが、ポンプ波長における緑色光線を生成するように構成される上流ＳＨＧに残る。特に図３Ｄは図３Ａ～図３Ｃそれぞれの構成と同様に構成される多段ＮＬＯモジュール１８を図示する。ＩＲ光は、図３Ａのものと同一に構築されたＯＰＡブロックに入射し、パラメトリック作用による影響を受けずにすべてのＯＰＡ段を通って伝播する。こうして、この図に示されるように、ＯＰＡブロックの出力は、ＩＲ光線、信号赤色光線、およびポンプ緑色光線を含み、そのすべては、赤色光とＩＲ光の両方には透過性であるが、緑色光を反射する出力上流ダイクロイックミラーに入射する。ＩＲ光線および赤色光線は、結合されるＩＲ光と赤色光を混合することの結果として、青色光を生成するＳＦＧ段へと結合される。光経路に沿ってＳＦＧから下流に離間される、出力下流ダイクロイックミラーは、青色光を反射し、ＩＲ光線および赤色光線の残りの部分を透過する。こうして、発生源１０は、赤色光線、緑色光線、および青色光線それぞれによって通過される３つの出力ポートを含む。 The schematic views of FIGS. 3D and 3E each illustrate a different configuration of the NLO module 18 that utilizes IR light at the fundamental wavelength λ _f , some of which are not shown here, but the pump wavelength. Remains in the upstream SHG configured to produce green rays in. In particular, FIG. 3D illustrates a multi-stage NLO module 18 configured in the same manner as each configuration of FIGS. 3A to 3C. IR light enters the OPA block constructed identically to that of FIG. 3A and propagates through all OPA stages unaffected by parametric effects. Thus, as shown in this figure, the output of the OPA block includes IR rays, signal red rays, and pump green rays, all of which are transparent to both red and IR light, but green. It is incident on the output upstream dichroic mirror that reflects light. The IR and red rays are coupled to an SFG stage that produces blue light as a result of mixing the combined IR and red light. The output downstream dichroic mirror, which is separated downstream from the SFG along the optical path, reflects blue light and passes through the rest of the IR and red rays. Thus, the source 10 includes three output ports that are passed by each of the red, green, and blue rays.

図３Ｅは、図３Ｃのように、有利なことに、赤色光線、青色光線、およびＩＲ光線の直交偏波方向を利用する可能性を提供する。これは、離間した上流出力と下流出力、ＬＢＯＳＦＧ１およびＬＢＯＳＦＧ２およびＴＤＣ４の組合せによって実現される。後者は、３重半波板ならびに他のミラーを含み、ＳＦＧ１とＳＦＧ２の間に配置される。上流出力ＳＦＧは、ＩＲ光線と赤色光線を混合し、青色光線出力がもたらされる。３つの光すべては、直線偏波光の偏波方向を偏移させる３重半波板に入射する。下流ＳＦＧは、このＳＦＧの入力における青色光の偏波に直交する偏波方向を有する青色光の和周波数発生を実現する。下流ＳＦＧの出力において、交差偏波した光が、青色光線を反射し赤色／ＩＲ光線を透過する出力ダイクロイックミラーに入射する。 FIG. 3E, as in FIG. 3C, advantageously offers the possibility of utilizing the orthogonal polarization directions of the red, blue, and IR rays. This is achieved by a combination of separated upstream and downstream outputs, LBO SFG1, LBO SFG2 and TDC4. The latter includes a triple wave plate as well as other mirrors and is located between SFG1 and SFG2. The upstream output SFG mixes IR and red rays to provide a blue ray output. All three lights are incident on a triple wave plate that shifts the polarization direction of the linearly polarized light. The downstream SFG realizes the generation of the sum frequency of blue light having a polarization direction orthogonal to the polarization of blue light at the input of this SFG. At the output of the downstream SFG, the cross-polarized light is incident on the output dichroic mirror that reflects the blue light and transmits the red / IR light.

上で議論した図３Ａ～図３Ｅを参照すると、開示される概略図は、インラインに配置されて、図示される配置構成全体にわたって、一緒に単一の光経路を規定する、交番するＯＰＡとＴＤＣによって特徴づけられるのを理解するのは簡単である。上で議論した構造の実験位相は、非常に有望な結果をもたらした。たとえば、５０％の変換効率で、図３Ａ～図３Ｃの超高速ＯＰＡは、標準のファイバレーザによって容易に達成される、５０～５００ｎＪのパルスエネルギによってポンピングすることができる。通常使用される周期分極材料の代わりに低吸収率高損傷閾値のＬＢＯバルクＮＬＯを使用して、光源１０の上で議論した概略図（図２）が、近い将来に、１．５～３ｎｍスペクトル範囲のスペクトル線幅を有する１ｋＷ超の青色光パルス出力を作り出すことができるのは十分に可能である。 Referring to FIGS. 3A-3E discussed above, the disclosed schematics are arranged inline, alternating OPAs and TDCs that together define a single optical path throughout the illustrated arrangement configuration. It is easy to understand that it is characterized by. The experimental phase of the structure discussed above has yielded very promising results. For example, with a conversion efficiency of 50%, the ultrafast OPA of FIGS. 3A-3C can be pumped with a pulse energy of 50-500 nJ, which is easily achieved with a standard fiber laser. A schematic diagram (FIG. 2) discussed above light source 10 using LBO bulk NLO with low absorption and high damage threshold instead of the commonly used periodic polarization material shows a 1.5-3 nm spectrum in the near future. It is quite possible to produce a blue light pulse output greater than 1 kW with a spectral line width in the range.

図４Ａは、４４３～４６７ｎｍ波長範囲で発生源青色出力を発生させる、光源１０の例示的な詳細光概略図を図示する。図示される概略図は、単一の直線で角がある光経路を提供するように構築される。しかし、レーザ分野の当業者は、図３Ａ～図３Ｅに示されるものと同様のインラインアーキテクチャを有して図３Ｄ～図３Ｅの概略図と同一に構成されるように、示される概略図を容易に再構成することができる。 FIG. 4A illustrates an exemplary detailed light schematic of a light source 10 that produces a source blue output in the 443-467 nm wavelength range. The schematic diagram illustrated is constructed to provide a single straight, angular optical path. However, those skilled in the art of lasers will facilitate the schematics shown so that they have an inline architecture similar to that shown in FIGS. 3A-3E and are configured identically to the schematics of FIGS. 3D-3E. Can be reconstructed into.

特に、レーザモジュール１２は、１０３０ｎｍの基本波長λ_ｆでｐｓパルスのＩＲ光、および、ポンプ波長λ_ｐ＝５１５ｎｍで緑色ポンプ信号を生成する。２次高調波発生期間に、ＩＲ光の一部は、図２のＳＨＧ１４中のポンプ信号に伝達される。基本波長およびポンプ波長におけるｐｓパルスの列は、パルスの各々を、ＮＬＯモジュール１８の上流段を構成するＯＰＧ／Ａパラメトリックデバイスの両方として機能する第１のＮＬＯ２６の中心領域へと向ける合焦レンズＬ２に入射する。第１の非線形結晶２６は、緑色ポンプビームと相互作用して、それぞれ、第３の信号波長λ_３および第４の信号波長λ_４で、赤色光信号ビームおよびアイドラビームを生成する。その一部が上流ＳＨＧ（図示せず）との相互作用後に残る、基本波長の組合せが、ＯＰＧ２６の出力とＳＦＳ４６の入力の間で自由に伝播し、上流ＯＰＡ段のＮＬＯ２６とポンプ信号ビームの間の相互作用後にλ_ｐの波長のポンプ信号ビームの部分、およびλ_３の波長の生成した赤色光信号ビームが、第１のダイクロイックミラー２８に入射する。ダイクロイック凹面鏡２８はアイドラに対して透過性であるが、１つの方向に対して反対で平行でない方向にポンプ光線および信号光線を反射し、その結果、反射光が、ＯＰＡとして働く同じＮＬＯ２６に入射する。ダイクロイックミラー２８は、したがって、反射したポンプ光線と赤色光線の間の群速度の不整合を補償するＴＤＣ組立体の一部である。反射光は、上流ＯＰＡ段のＮＬＯ２６を通して反対方向に伝播し、こうしてＮＬＯ２６中のものと類似のプロセスを他の方向で繰り返す。 In particular, the laser module 12 produces a ps pulsed IR light at a fundamental wavelength λ _f of 1030 nm and a green pump signal at a pump wavelength λ _p = 515 nm. During the second harmonic generation period, part of the IR light is transmitted to the pump signal in SHG14 of FIG. The sequence of ps pulses at the fundamental wavelength and the pump wavelength directs each of the pulses to the central region of the first NLO 26, which acts as both the OPG / A parametric device that constitutes the upstream stage of the NLO module 18. Incident to. The first nonlinear crystal 26 interacts with the green pump beam to produce a red light signal beam and an idler beam at a third signal wavelength λ ₃ and a fourth signal wavelength λ ₄ , respectively. The combination of fundamental wavelengths, some of which remain after interaction with the upstream SHG (not shown), propagates freely between the output of the OPG26 and the input of the SFS46, between the NLO26 in the upstream OPA stage and the pump signal beam. After the interaction of λ _p , a portion of the pump signal beam having a wavelength of λ p and a red light signal beam generated having a wavelength of λ ₃ are incident on the first dichroic mirror 28. The dichroic concave mirror 28 is transparent to the idler, but reflects pump and signal rays in directions that are opposite and not parallel to one direction, so that the reflected light is incident on the same NLO 26 that acts as an OPA. .. The dichroic mirror 28 is therefore part of a TDC assembly that compensates for the group velocity mismatch between the reflected pump light and the red light. The reflected light propagates in the opposite direction through the NLO26 in the upstream OPA stage, thus repeating a process similar to that in the NLO26 in the other direction.

反射光が第１のＮＬＯ２６と相互作用すると、信号波長λ_３の赤色信号ビームがさらに増幅される。波長λ_４のアイドラビームが再び生成され、さらに減衰した緑色ポンプビームおよび増幅した赤色光線とともに、同軸で伝播する。ダイクロイック平面鏡３０に入射すると、ミラー３０を通って伝播する新たに発生したアイドラを除いたすべての波長の光線は、モジュール１８の少なくとも１つの中間ＯＰＡ段に向けて反射される。 When the reflected light interacts with the first NLO 26, the red signal beam with the signal wavelength λ ₃ is further amplified. An idler beam of wavelength λ ₄ is regenerated and propagates coaxially with the further attenuated green pump beam and amplified red light. Upon incident on the dichroic plane mirror 30, light rays of all wavelengths except the newly generated idler propagating through the mirror 30 are reflected toward at least one intermediate OPA stage of the module 18.

反射光線は、光を凹面鏡３４に案内する平面鏡３２にさらに入射して反射される。凹面鏡３４は、光を中間ＯＰＡ段の第２の非線形結晶を通して１つの方向に反射する。ポンプ信号と第２のＮＬＯ３６間の相互作用が、λ_３の赤色信号をさらに増幅し、これが次いで残りのポンプ信号、赤色信号、およびアイドラとともにダイクロイック曲面鏡３８に入射する。アイドラは、このミラーを通して透過される。反射光は、第２のＮＬＯ３６を通して反対方向に伝播し、こうして上流ＯＰＡ段中のものと類似のプロセスを繰り返す。結果として、それぞれλ_３、λ_ｐ、λ_４、およびλ_ｆの増幅した赤色信号、ポンプの第３の部分、アイドラ、およびＩＲは、平面鏡４０に入射し、アイドラを除くすべての光を下流段へと向ける。 The reflected light beam is further incident on the plane mirror 32 that guides the light to the concave mirror 34 and is reflected. The concave mirror 34 reflects light in one direction through a second nonlinear crystal in the intermediate OPA stage. The interaction between the pump signal and the second NLO 36 further amplifies the red signal of λ ₃ , which then enters the dichroic curved mirror 38 with the remaining pump signal, red signal, and idler. The idler is transmitted through this mirror. The reflected light propagates in the opposite direction through the second NLO 36, thus repeating a process similar to that in the upstream OPA stage. As a result, the amplified red signals of λ ₃ , λ _p , λ ₄ , and λ _f , the third part of the pump, the idler, and the IR are incident on the plane mirror 40 and all light except the idler is taken downstream. Turn to.

以前のＯＰＡ段と同様に、下流段は、受け取った光をＬＢＯＮＬＯ４６を含むＳＦＧ（ＳＨＳと示される）を通して１つの方向に順次案内する、平面鏡４２および曲面鏡４４で構成される。後者は、波長λ_３の以前に増幅した赤色光信号と、波長λ_ｆの残りのＩＲ光を混合して、波長λ_ｓｓｏ＝（１／λ_ｆ＋ｌ／λ_３）^－１の発生源信号出力を生成する。したがって、出力ｐｓ青色光は、４４３～４６７ｎｍ波長範囲の波長で平面鏡５２を通して透過される。 Similar to the previous OPA stage, the downstream stage consists of a plane mirror 42 and a curved mirror 44 that sequentially guide the received light in one direction through an SFG (denoted as SHS) containing the LBO NLO 46. The latter mixes the previously amplified red light signal of wavelength λ ₃ with the remaining IR light of wavelength λ _f to output the source signal of wavelength λ _sso = (1 / λ _f + l / λ ₃ ) ^-1 . To generate. Therefore, the output ps blue light is transmitted through the plane mirror 52 at a wavelength in the wavelength range of 443 to 467 nm.

示されるように、それぞれポンプλ_３波長および信号λ_ｆ波長の残りの赤色光およびＩＲ光をさらに使用することができる。この光は、ＮＬＯ４６を通して反対方向に曲面鏡４８から反射され、平面鏡５０に入射する青色光を再び生成し、出力段の平面鏡５４に向けてさらに反射される。半波板５６は、ミラー５４と光連通しており、青色光の偏波を、ミラー４８を通して通過した青色光の偏波に直交するように変えるように構成される。半波板５６から下流で、薄膜偏光器（ＴＦＰ）５８が、所望の４４３ｎｍまたは４６７ｎｍの中心波長の青色光出力を組み合わせる。一般的な出力ＯＰＡ段は、様々なパラメトリックデバイスを単独で、または所望の出力波長を作り出すものと組み合わせて有することができる。したがって、和周波数、差周波数を含むすべてのタイプのパラメトリック生成、和周波数、差周波数を含む変換のタイプ、および２次高調波発生を、当業者が実現できる出力段を適切に構成することによって使用することができる。 As shown, the remaining red and IR light of the pump λ ₃ wavelength and the signal λ _f wavelength can be further used, respectively. This light is reflected from the curved mirror 48 in the opposite direction through the NLO 46, regenerates blue light incident on the plane mirror 50, and is further reflected toward the plane mirror 54 in the output stage. The wave plate 56 is optical communicating with the mirror 54 and is configured to change the polarization of the blue light so as to be orthogonal to the polarization of the blue light that has passed through the mirror 48. Downstream from the half-wave plate 56, the thin film polarizing device (TFP) 58 combines the blue light output with the desired center wavelength of 443 nm or 467 nm. A typical output OPA stage can have various parametric devices alone or in combination with those that produce the desired output wavelength. Therefore, the sum frequency, all types of parametric generation including the difference frequency, the sum frequency, the type of conversion including the difference frequency, and the second harmonic generation are used by appropriately configuring the output stage which can be realized by those skilled in the art. can do.

上で述べたように、すべてのＯＰＡ段は各々が単一パスＬＢＯＮＬＯを実現するように構成することができる。この修正形態では、図４Ａの概略図は、図３Ａ～図３Ｅに示されるものと同一のインラインアーキテクチャであるが２倍のＬＢＯＮＬＯを有するものを提供するように再構成することができる。 As mentioned above, each OPA stage can be configured to implement a single-pass LBO NLO. In this modification, the schematic of FIG. 4A can be reconfigured to provide the same inline architecture as that shown in FIGS. 3A-3E, but with twice the LBO NLO.

図４Ｂは、３４３ｎｍの青色光線を出力する発生源１０の、本発明のＯＰＡモジュール１８の別の例を図示する。図４Ｂで利用される発生源は、３４３ｎｍポンプ波長で動作するｐｓＵＶファイバレーザ発生源（図示せず）を含む。図４Ａの概略図と全体的に同様に構成される、モジュール１８は、５１５ｎｍ波長のポンプビームを有して以前に開示されたモジュールのＳＦＧＮＬＯの代わりに、光パラメトリック増幅器を備える下流ＯＰＡ段を有する。 FIG. 4B illustrates another example of the OPA module 18 of the present invention, which is a source 10 that outputs 343 nm blue light. Sources used in FIG. 4B include psUV fiber laser sources (not shown) operating at a 343 nm pump wavelength. Constructed entirely similar to the schematic of FIG. 4A, module 18 has a downstream OPA stage with an optical parametric amplifier in place of the previously disclosed module SFG NLO with a pump beam of 515 nm wavelength. Have.

様々なタイプのＮＬＯ結晶を、本開示の文脈内で利用することができる。結晶は、空間的ウォークオフが存在すればＷＯＣ板によって補償することができるために、完全位相整合してもしなくてもよい。こうして、ＢＢＯ、ＢＩＢＯ、ＫＴＰ、ＫＴＡ、周期分極ＬｉＮｂＯ３（ＰＰＬＮ）、周期分極ＬｉＴａＯ３（ＰＰＬＴ）などといった、結晶タイプを図２および図３の概略図に実装することができる。しかし、出力パワーで１００Ｗ以上を実現できる唯一の結晶はＬＢＯ（可能ならＢＩＢＯ）である。というのは、ＬＢＯは、すべての他の代替ＮＬＯ結晶よりも最低のバルク吸収率および最高の損傷閾値を有するためである。ＮＬＯは、非完全位相整合結晶であっても、そうでなくてもよい。空間的ウォークオフが存在する場合、当業者に知られているように補償することができる。各ＮＬＯ結晶を、個々に熱的に制御して、最良の位相整合条件を実現する。 Various types of NLO crystals are available within the context of the present disclosure. The crystal may or may not be fully phase matched as it can be compensated by the WOC plate if a spatial walkoff is present. Thus, crystal types such as BBO, BIBO, KTP, KTA, periodic polarization LiNbO3 (PPRN), periodic polarization LiTaO3 (PPLT), etc. can be implemented in the schematics of FIGS. 2 and 3. However, the only crystal that can achieve 100 W or more with output power is LBO (BIBO if possible). This is because LBO has the lowest bulk absorption and the highest damage threshold than all other alternative NLO crystals. The NLO may or may not be a non-perfect phase matched crystal. If a spatial walkoff is present, it can be compensated as known to those of skill in the art. Each NLO crystal is individually thermally controlled to achieve the best phase matching conditions.

上で開示したＮＬＯモジュール１８は、１つのレーザ発生源から３原色すべてを生成する必要がある、視覚ディスプレイ中のＲＧＢエンジンで使用するときに、特に有利である。ＲＧＢエンジンの効率は、以下の主な考慮事項に基づく。第１に、原色の赤色、緑色、および青色は、人間の目が色域の９０％超を検出することができるように選択するべきである。第２に、画像歪を引き起こすスペックル現象は、最小化されて望ましくは除去されるべきである。また、ＲＧＢ光源は、高い壁コンセント効率および本明細書に開示されるようなファイバポンプの最小出力パワーにおける変換可視光の高い発光効率によって特徴づけるべきである。しかし、ディスプレイ産業は、図２の開示された発生源１０からの恩恵を被る唯一のものではない。たとえば、図３Ａ～図３Ｅに示される同じパラメトリックモジュール１８は、ポンプビームとしてＩＲ光線を使用し、ＬＢＯ結晶の代わりにＢＩＢＯ結晶を使用して、１．７～２．５μｍ波長範囲の出力を提供するように提示してきた。構造的に、出力ＯＰＡ段は、２つのＳＨＧで構成することができる一方、残りのＯＰＡ段は、図４Ａおよび図４Ｂのものと同様のパラメトリック増幅器で構成される。 The NLO module 18 disclosed above is particularly advantageous when used in an RGB engine in a visual display where all three primary colors need to be generated from a single laser source. The efficiency of the RGB engine is based on the following key considerations: First, the primary colors red, green, and blue should be selected so that the human eye can detect more than 90% of the color gamut. Second, the speckle phenomenon that causes image distortion should be minimized and preferably eliminated. Also, RGB light sources should be characterized by high wall outlet efficiency and high luminous efficiency of converted visible light at the minimum output power of fiber pumps as disclosed herein. However, the display industry is not the only one to benefit from the disclosed source 10 of FIG. For example, the same parametric module 18 shown in FIGS. 3A-3E uses an IR ray as the pump beam and uses a BIBO crystal instead of an LBO crystal to provide an output in the 1.7-2.5 μm wavelength range. I have offered to do it. Structurally, the output OPA stage can be composed of two SHGs, while the remaining OPA stages are composed of parametric amplifiers similar to those in FIGS. 4A and 4B.

図２に戻って、ポンプモジュール１６は、イッテルビウム（Ｙｂ）ドープしたモードロックｐｓファイバレーザ１２を含む。大部分の産業用Ｙｂファイバレーザは、約１０３０ｎｍまたは１０６４ｎｍのいずれかの（放出）基本波長λ_ｆで動作する。これらの波長のいずれかの選択によって、下で議論されるように、ＮＬＯモジュール１８の構成が決定する。 Returning to FIG. 2, the pump module 16 includes a ytterbium (Yb) -doped mode-locked ps fiber laser 12. Most industrial Yb fiber lasers operate at either the (emission) fundamental wavelength λ _f of about 1030 nm or 1064 nm. The choice of any of these wavelengths determines the configuration of the NLO module 18, as discussed below.

図５は、ＳＨＧ１４が１０３０ｎｍ基本波長（図２）におけるＹｂファイバレーザ１２からのＩＲ信号と相互作用することによって生成される５１５ｎｍポンプ波長での、式１、２、および３に基づいた、青色－赤色波長間の関係を図示する。曲線１２０は、それぞれのポンプ波長の光と相互作用する２つの２次高調波発生器（ＳＨＧおよびＳＨＧｉ）の組合せを使用して決定される。あるいは、曲線１２０は、和周波数発生器（ＳＦＧおよびＳＦＧｉ）の組合せを使用してモデル化することができる。さらに別の代替実施形態によれば、曲線１２０は、ＳＦＧパラメトリックデバイスとＳＨＧパラメトリックデバイスの組合せを利用することによってモデル化される。この曲線１２０は、２つのＳＨＧデバイスまたは２つのＳＦＧデバイスを利用することによって、所望の赤色波長および青色波長を得ることができることを示す。青色光波長が、たとえば４４５ｎｍ波長に変えられるが、６１０ｎｍアイドラ波長が依然として必要な場合、ＳＦＧ段の組合せが曲線１２２に対応する。ＳＨＧ段とＳＦＧ段の組合せに対応する曲線１２４は、６１０ｎｍアイドラ波長が必要な場合には、この組合せを効率的なＲＧＢ１０には使用できないことを示す。パラメトリックデバイスの様々な組合せによって、所望の波長をもたらすことができる。任意の所望の波長に適合させるために、図３Ａ～図３Ｅおよび図４Ａ～図４ＢのＮＬＯモジュール１８の構造的な可撓性を利用して非常に容易に得られる、パラメトリックメカニズムの１つまたは別の組合せを最終的に定めるのは、光源１０の効率である。 FIG. 5 shows the blue-based on equations 1, 2, and 3 at the 515 nm pump wavelength produced by the SHG14 interacting with the IR signal from the Yb fiber laser 12 at the 1030 nm fundamental wavelength (FIG. 2). The relationship between red wavelengths is illustrated. Curve 120 is determined using a combination of two second harmonic generators (SHG and SHGi) that interact with light of each pump wavelength. Alternatively, the curve 120 can be modeled using a combination of sum frequency generators (SFG and SFGi). According to yet another alternative embodiment, the curve 120 is modeled by utilizing a combination of SFG parametric devices and SHG parametric devices. The curve 120 shows that the desired red and blue wavelengths can be obtained by utilizing two SHG devices or two SFG devices. If the blue light wavelength is changed to, for example, a 445 nm wavelength, but a 610 nm idler wavelength is still required, then the combination of SFG stages corresponds to curve 122. The curve 124 corresponding to the combination of SHG and SFG stages indicates that this combination cannot be used for efficient RGB10 when a 610 nm idler wavelength is required. Various combinations of parametric devices can provide the desired wavelength. One of the parametric mechanisms that is very easily obtained utilizing the structural flexibility of the NLO module 18 of FIGS. 3A-3E and 4A-4B to adapt to any desired wavelength. It is the efficiency of the light source 10 that ultimately determines another combination.

Ｔａｂｌｅ１（表１）は、４７８ｎｍおよび６１０ｎｍ波長のそれぞれで青色および信号（赤色）出力を発生させるため、１０３０ｎｍ基本波長の高効率ＲＧＢ発生源１０によって使用されるパラメトリック動作のタイプおよび必要なデータを提供する。分かるように、ＲＧＢ発生源１０は、６１０ｎｍ波長の所望の発生源アイドラ出力を生成するため、１２２０ｎｍ波長のＳＨＧを含むＮＬＯ１８で構成される。しかし、４７８ｎｍ波長の発生源出力信号を生成するために、ＳＨＧメカニズムは、効率的には働かない。しかし、８９２ｎｍの信号と相互作用するＳＦＧデバイスを使用することによって、４７８ｎｍ発生源信号出力のＲＧＢ発生源１０の効率的な動作が可能になる。表は、スペックルを回避するのを助ける、３ｎｍ、４ｎｍ、および５ｎｍ線幅それぞれでの、発生源信号、ポンプ、および発生源アイドラ出力についての線幅をやはり提供する。モジュール１２のレーザ発生源の最小パワーでの、赤色、緑色、および青色信号それぞれに対する基本波長のＩＲ光の変換効率は、８％と２０％の間であり、これは非常に高いと考えられる一方で、出力赤色および青色信号平均パワーは、それぞれ、１５８Ｗ、１０６Ｗ、および１１４Ｗであって、これは中型２Ｄ映画館ではやはり異常である。赤色および特に青色スペクトル領域それぞれの、このタイプのプロジェクタにとって、変換効率およびパワーで匹敵するものはないと信じられる。 Table 1 (Table 1) provides the type of parametric operation and required data used by the high efficiency RGB source 10 with a 1030 nm fundamental wavelength to generate blue and signal (red) outputs at 478 nm and 610 nm wavelengths, respectively. offer. As can be seen, the RGB source 10 is composed of an NLO 18 containing an SHG with a wavelength of 1220 nm to produce the desired source idler output with a wavelength of 610 nm. However, the SHG mechanism does not work efficiently in order to generate a source output signal with a wavelength of 478 nm. However, the use of an SFG device that interacts with a 892 nm signal enables efficient operation of the RGB source 10 of the 478 nm source signal output. The table also provides line widths for the source signal, pump, and source idler output at 3 nm, 4 nm, and 5 nm line widths, respectively, to help avoid speckle. The conversion efficiency of IR light of the fundamental wavelength for each of the red, green, and blue signals at the minimum power of the laser source of module 12 is between 8% and 20%, which is considered to be very high. And the output red and blue signal average powers are 158W, 106W, and 114W, respectively, which is also unusual in medium-sized 2D cinemas. It is believed that there is no comparable conversion efficiency and power for this type of projector, in the red and especially in the blue spectral region respectively.

Ｔａｂｌｅ１（表１）に示される異なる波長の関係は、５１５ｎｍ波長のポンプ光を発生させる図２のポンプモジュール１６に基づく。他のポンプ波長は、明らかに、光パラメトリックプロセスのエネルギ変換則に基づいたパラメトリックＮＬＯモジュール１８で利用することができる。Ｔａｂｌｅ２（表２）は、１０６４ｎｍ波長のＩＲ光のＳＨである、５３２ｎｍ波長の緑色光によってポンピングされるＯＰＡ／ＯＰＯから生成される信号赤色および青色波長を図示する。Ｔａｂｌｅ２（表２）は、２Ｄ映画館で最も効率的な、１０６４ｎｍ発生源のＲＧＢ光源を表示する、データおよびパラメトリックメカニズムを提供する。 The relationship between the different wavelengths shown in Table 1 is based on the pump module 16 of FIG. 2, which produces pump light with a wavelength of 515 nm. Other pump wavelengths are apparently available in the parametric NLO module 18 based on the energy conversion law of the optical parametric process. Table 2 illustrates the signal red and blue wavelengths generated from OPA / OPO pumped by green light with a wavelength of 532 nm, which is the SH of IR light with a wavelength of 1064 nm. Table 2 provides a data and parametric mechanism for displaying the RGB light source of the 1064 nm source, which is the most efficient in 2D cinemas.

図６は、パルス複製と組み合わせたチャープパルス増幅（ＣＰＡ）アーキテクチャを有するｐｓファイバ発生源１００に基づいたファイバレーザポンプモジュール１２を図示する。発生源１００は、全ファイバまたはＹＡＧベース構造を含む様々な構成を有することができる。好ましくは、発生源は、こうしてｐｓパルスの列を出力する主発振器、およびファイバまたは他のタイプの増幅器またはブースタ１５０を含むＭＯＰＡ構成を特徴とする。発生源１００は、シードとブースタの間にすべて配置されるパルス伸張器１３０、パルス複製モジュール１４０、アイソレータ１６０、および、ファイバブースタ１５０に続くパルス圧縮器１７０でさらに構成される。入力レーザパルス１１２は、パルス伸張器１３０を使用して時間を伸ばされ、ブースタ１５０および任意選択の前置増幅器１５４を含む増幅段で増幅されて、パルス圧縮器１７０を使用して圧縮解除される。増幅の前に、パルス複製モジュール１４０を使用して伸張パルス１３２が複製される。 FIG. 6 illustrates a fiber laser pump module 12 based on a ps fiber source 100 with a chirped pulse amplification (CPA) architecture combined with pulse replication. The source 100 can have various configurations including whole fiber or YAG based structure. Preferably, the source features a MOPA configuration that includes a main oscillator thus outputting a sequence of ps pulses, and a fiber or other type of amplifier or booster 150. The source 100 is further composed of a pulse expander 130, a pulse duplication module 140, an isolator 160, and a pulse compressor 170 following the fiber booster 150, all located between the seed and the booster. The input laser pulse 112 is extended in time using a pulse expander 130, amplified in an amplification stage including a booster 150 and an optional preamplifier 154, and decompressed using a pulse compressor 170. .. Prior to amplification, the stretch pulse 132 is replicated using the pulse replication module 140.

パルス伸張器１３０は、パルス１１２の入力列のパルス持続時間を伸ばし、ピークパワーを減らした伸張パルス１３２の列を生成するように構成される。いくつかの実施形態によれば、パルス伸張器１３０は、初期パルス列１１２のパルスを数ナノ秒の程度のパルス持続時間に伸ばし、いくつかの事例では、１０ｎｓであってよい。伸張レーザパルス１３２の繰り返し率は、パルス複製モジュール１４０によって増加させることができ、パルス複製モジュール１４０は、伸張レーザパルス１３２の光の波形を時間的に複製して、修正パルス列１４８を生成する。パルス伸張器１３０によって出力される、伸張レーザパルス１３２の列の時間プロットは、ｔのパルス周期および１／ｔのパルス繰り返し率を有する。いくつかの実施形態によれば、パルス複製器１４０は、修正パルス列１４８のレーザエネルギが連続的に見える程度にｔが減少されるように、伸張レーザパルスを複製するために使用することができる。修正パルス列１４８のほぼ連続波の特性は、パルス伸張器１３０によって実施される伸張と、パルス複製モジュール１４０によって実施される複製の両方の関数である。そのようなレーザ光を利用するシステムの例が、下でより詳細に議論される。パルス複製器１４０は、伸張レーザパルス１３２の繰り返し率を数十ＭＨｚおよび数ＧＨｚのレベルに増加させるように構成することができる。パルス伸張器１３０および／またはパルス複製モジュール１４０は、所望のピーク対平均パワー比率を有する修正パルス１４８を生成するように構成することができる。一例が下で議論される。 The pulse expander 130 is configured to extend the pulse duration of the input sequence of the pulse 112 to generate a sequence of stretched pulses 132 with reduced peak power. According to some embodiments, the pulse stretcher 130 stretches the pulse of the initial pulse train 112 to a pulse duration of on the order of a few nanoseconds, and in some cases may be 10 ns. The repetition rate of the stretched laser pulse 132 can be increased by the pulsed replication module 140, which temporally replicates the light waveform of the stretched laser pulse 132 to produce a modified pulse train 148. The time plot of the sequence of stretched laser pulses 132, output by the pulse stretcher 130, has a pulse period of t and a pulse repetition rate of 1 / t. According to some embodiments, the pulse replicator 140 can be used to replicate the stretched laser pulse so that t is reduced to such an extent that the laser energy of the modified pulse train 148 is continuously visible. The nearly continuous wave characteristic of the modified pulse train 148 is a function of both the stretch performed by the pulse stretcher 130 and the replication performed by the pulse replication module 140. Examples of systems that utilize such laser light are discussed in more detail below. The pulse replicator 140 can be configured to increase the repeat rate of the stretched laser pulse 132 to levels of tens of MHz and several GHz. The pulse stretcher 130 and / or the pulse replication module 140 can be configured to generate a modified pulse 148 with the desired peak-to-average power ratio. An example is discussed below.

パルス複製モジュール１４０は、入力溶融ファイバ光カプラおよび出力ファイバ光カプラを含む少なくとも２つのファイバ光カプラ、ならびに、入力溶融ファイバ光カプラと出力溶融ファイバ光カプラの間に配設される少なくとも１つの光ファイバ遅延線を備える全ファイバデバイスである。全ファイバ光カプラは、偏波保存性である。ファイバ光カプラは、単一モード非偏波保存性（ＰＭ）溶融ファイバ光カプラとして構成することもできる。パルス伸張器１３０およびパルス複製モジュール１４０の構成要素は、調整した（高い）繰り返し率でパルスを出力するように構成することができる。パルス圧縮器１７０は、チャープ増幅パルス１５３のパルス幅を圧縮する。パルス圧縮器の非限定の例としては、ＣＶＢＧおよびＴｒｅａｃｙ圧縮器などといった格子圧縮器、ならびにＭａｒｔｉｎｅｚ圧縮器およびプリズム圧縮器が挙げられる。 The pulse duplication module 140 comprises at least two fiber optical couplers including an input fused fiber optical coupler and an output fused fiber optical coupler, and at least one optical fiber disposed between the input molten fiber optical coupler and the output fused fiber optical coupler. It is an all-fiber device with a delay line. All fiber optical couplers are polarization conserved. The fiber optical coupler can also be configured as a single mode non-polarized storage (PM) fused fiber optical coupler. The components of the pulse stretcher 130 and the pulse duplication module 140 can be configured to output the pulse at a tuned (high) repetition rate. The pulse compressor 170 compresses the pulse width of the chirped amplification pulse 153. Non-limiting examples of pulse compressors include lattice compressors such as CVBG and Treacy compressors, as well as Martinez compressors and prism compressors.

パルス圧縮器１７０から出力される増幅圧縮レーザパルス１７４は、高い繰り返し率および高い平均パワーを有する超短パルスレーザ光として特徴づけることができる。この出力についての具体的な用途としては、高い平均パワーのＵＶレーザ放射の発生が挙げられ、下で議論される。 The amplified compressed laser pulse 174 output from the pulse compressor 170 can be characterized as an ultrashort pulsed laser beam with high repetition rate and high average power. Specific applications for this output include the generation of high average power UV laser radiation, which will be discussed below.

図５は、パルス複製モジュール４４０の第１の例の概略図である。この構成によれば、入力溶融ファイバ光カプラ４４２は、ファイバ光スプリッタとして構成される。出力ファイバ光カプラ４４３の結合領域を出る２つのファイバのうちの１つは、修正パルス列１４８を含む出力４３６を形成する。光ビームスプリッタ４４２が入力４３４を有し、この事例では、入力４３４は、光パルス伸張器１３０に結合され（図４）、出力カプラ４４３の出力４３６は、ファイバパワー増幅器１５０に接続され、さもなくばファイバパワー増幅器１５０に結合される。パルス複製モジュール４４０は、入力カプラ４４２と出力カプラ４４３の間に配設される少なくとも１つのファイバ光カプラ４４４をやはり含む。 FIG. 5 is a schematic diagram of the first example of the pulse replication module 440. According to this configuration, the input molten fiber optical coupler 442 is configured as a fiber optical splitter. One of the two fibers exiting the coupling region of the output fiber optical coupler 443 forms an output 436 containing a modified pulse train 148. The optical beam splitter 442 has an input 434, in this case the input 434 is coupled to the optical pulse stretcher 130 (FIG. 4), the output 436 of the output coupler 443 is connected to the fiber power amplifier 150, and otherwise. For example, it is coupled to the fiber power amplifier 150. The pulse duplication module 440 also includes at least one fiber optical coupler 444 disposed between the input coupler 442 and the output coupler 443.

入力スプリッタ４４２の出力のうちの１つに、単一モードファイバの好適な長さ（すなわち、光ファイバ遅延線４４５）を使用して、遅延τが加えられ、その結果、対のうちの１つの足または出力セグメント（４４５）は、他の足４４６と異なる（より長い）光学路長を有することになる。このことによって、スプリッタ４４２の両方の出力ファイバ４４５_１および４４６_１にτだけ分離した２つのパルスが発生される。次いで、これらの２つの出力がカプラ４４４の中で組み合わせられると、２τの遅延がこれらの経路のうちの１つに入れられて、２組の４つのパルスが生成される。このプロセスは、所望の数の複製が得られるまで、２つの経路間の異なる遅延を倍にすることによって繰り返すことができる。次いで、２つの経路は、コンバイナ４４３を使用して組み合わされる。遅延τの長さは、パルスが重なり合い干渉するのを回避するために、レーザパルスの長さよりわずかに長く選択することができる。 A delay τ is added to one of the outputs of the input splitter 442 using a suitable length of single mode fiber (ie, fiber optic delay line 445), resulting in one of the pairs. The foot or output segment (445) will have a different (longer) optical fiber length than the other feet 446. This produces two pulses separated by τ on both output fibers 445 ₁ and 446 ₁ of the splitter 442. Then, when these two outputs are combined in the coupler 444, a delay of 2τ is put into one of these paths to generate two sets of four pulses. This process can be repeated by doubling the different delays between the two paths until the desired number of replicas is obtained. The two routes are then combined using a combiner 443. The length of the delay τ can be chosen to be slightly longer than the length of the laser pulse to avoid overlapping and interfering pulses.

パルス複製器４４０は、各連続段が伸張レーザパルス１３２に時間遅延をもたらすように、各々が光ファイバ遅延線４４５を含む複数の段４４９を備える。図５に示される例では、パルス複製器４４０は４つの段４４９_１、４４９_２、４４９_３、および４４９_４を含み、各段において、信号パワーが分割され、固定時間遅延で再び組み合わされる。複製の数が各段４４９（すなわち、５０：５０カプラ）で倍になるために、コンバイナ４４３へと伝播する２つの出力４４５_４および４４６_４は、各々が２^ｘの複製を含む。ここで、ｘは使用される段数である（この例では、ｘ＝４）。こうして、パルス複製器４４０は、多段受動パルス複製器として構成される。ここで、各連続段が伸張レーザパルス１３２に固定時間遅延をもたらす。時間遅延は、各連続段で予め規定された量だけ増減することができる。 The pulse replicator 440 comprises a plurality of stages 449, each including an optical fiber delay line 445, such that each continuous stage provides a time delay to the stretched laser pulse 132. In the example shown in FIG. 5, the pulse replicator 440 includes four stages 449 ₁ , 449 ₂ , 449 ₃ , and 449 ₄ , where the signal power is split and recombined with a fixed time delay. The two outputs 445 ₄ and 4464 _each propagating to combiner 443 contain 2 ^x duplicates because the number of duplicates is doubled at each stage 449 (ie, 50:50 coupler). Here, x is the number of stages used (x = 4 in this example). Thus, the pulse replicator 440 is configured as a multi-stage passive pulse replicator. Here, each continuous stage causes a fixed time delay in the stretched laser pulse 132. The time delay can be increased or decreased by a predetermined amount in each continuous stage.

複製器４４０の最終段４４５_４および４４６_４の出力は、出力４３６において修正パルス列１４８として時間遅延複製パルスの列を生成するために、コンバイナ４４３中で組み合わされる。図６に見られるように、ファイバの足４４５_４および４４６_４の８個の複製パルスの各々は、１６個のパルスを生成するためにコンバイナ４４３中で組み合わされる。これらの１６個のパルスは、パルスのバーストとして構成され、したがって、修正パルス列１４８は、各々が１６個のパルスを含む一連のパルスのバーストを含む。遅延線４４５_１～４４５_４の長さは、バースト繰り返し率（すなわち、バースト間時間間隔）を規定する。 The outputs of the final stages 445 ₄ and 446 ₄ of the replicator 440 are combined in the combiner 443 to generate a sequence of time-delayed replication pulses as a modified pulse train 148 at output 436. As seen in FIG. 6, each of the eight replicative pulses of the fiber legs 445 ₄ and 446 ₄ are combined in the combiner 443 to generate 16 pulses. These 16 pulses are configured as pulse bursts, so the modified pulse train 148 contains a burst of pulses, each containing 16 pulses. The lengths of the delay lines 445 _1-445 ₄ define the burst repeat rate (ie, the time interval between bursts).

分かるように、パルス伸張器１３０およびパルス複製モジュール１４０の構成要素は、調整した繰り返し率でパルスを出力するように構成することができる。繰り返し率は、ピークパワーが不要な損傷を回避するのに十分低いが、効率的な周波数変換のために十分高いように選択することができる。ファイバカプラおよびパルス複製モジュールのファイバ遅延線は、様々なパルス形式を作成するために使用することができ、図８は、パルス複製モジュール５４０の別の例の概略図である。いくつかの実施形態によれば、パルス複製モジュールは、各々別個に構成できる一連のサブモジュールを含むことができる。たとえば、図５に示されるパルス複製モジュール５４０は、入力として、図７のパルス複製モジュール４４０からの出力を使用するが、複製モジュール５４０は、単独で使用すること、または他の構成を有するサブモジュールと組み合わせて使用することもできることを理解されたい。 As can be seen, the components of the pulse stretcher 130 and the pulse duplication module 140 can be configured to output the pulse at a tuned repeat rate. The repeat rate can be selected so that the peak power is low enough to avoid unnecessary damage, but high enough for efficient frequency conversion. Fiber delay lines in fiber couplers and pulse replication modules can be used to create various pulse formats, and FIG. 8 is a schematic representation of another example of pulse replication module 540. According to some embodiments, the pulse replication module can include a set of submodules, each of which can be configured separately. For example, the pulse replication module 540 shown in FIG. 5 uses the output from the pulse replication module 440 of FIG. 7 as an input, whereas the replication module 540 is a submodule that can be used alone or has other configurations. Please understand that it can also be used in combination with.

図６の複製モジュール４４０と同様の様式で、パルス複製モジュール５４０は、入力溶融ファイバ光カプラ５４２および出力ファイバ光カプラ５４３をやはり含む。入力カプラ５４２と出力カプラ５４３の間には、中間ファイバカプラ（５４４）、（５４７ａ）、および（５４７ｂ）がある。各段５４９からの遅延線を隣接する（下流の）段に向ける代わりに、図６の構成に示されるように、少なくとも１つの遅延線が１つまたは複数の下流段をバイパスする。この例によれば、遅延線５４５_４は、第１の段５４９_１の出力における中間カプラ５４４から出力コンバイナ５４３に向けられ、それによって、第２の段５４９_２および第３の段５４９_３をバイパスして第４の段５４９_４の遅延線を形成する。そのため、各連続段に導入される時間遅延が増加し、すべてが互いに等しいとは限らない。図５に示されるように、この構成によって、９ｎｓの合計持続時間（エンベロープ）を有する初期の１６個のパルスバーストが、第４の段５４９_１～５４９_４を介して９０ｎｓのエンベロープを有する１６０個のパルスバーストに変換されることが可能になり、ここでは、各パルス持続時間が０．４５ｎｓであり、パルスは０．５６ｎｓだけ分離される。下のＴａｂｌｅ１（表３）は、各段を概説する。 In a manner similar to the replication module 440 of FIG. 6, the pulse replication module 540 also includes an input molten fiber optical coupler 542 and an output fiber optical coupler 543. Between the input coupler 542 and the output coupler 543 are intermediate fiber couplers (544), (547a), and (547b). Instead of directing the delay lines from each stage 549 to adjacent (downstream) stages, at least one delay line bypasses one or more downstream stages, as shown in the configuration of FIG. According to this example, the delay line 545 ₄ is directed from the intermediate coupler 544 at the output of the first stage 549 ₁ to the output combiner 543, thereby bypassing the second stage 549 ₂ and the third stage 549 ₃ . Then, the delay line of the _fourth stage 5494 is formed. Therefore, the time delay introduced in each continuous stage increases, and not all are equal to each other. As shown in FIG. 5, with this configuration, the initial 16 pulse bursts with a total duration (envelope) of 9 ns are 160 with a 90 ns envelope via the _fourth stage 549 _1-5494 . Can be converted into a pulse burst of, where each pulse duration is 0.45 ns and the pulses are separated by 0.56 ns. Table 1 below outlines each stage.

図７および図８に示されるパルス複製器の例は、制限することを意味せず、他の構成がやはり本開示の範囲内である。 The examples of pulse replicators shown in FIGS. 7 and 8 do not imply limiting, and other configurations are also within the scope of the present disclosure.

こうして、少なくとも１つの例のいくつかの態様を記載してきたが、当業者には、様々な代替形態、修正形態、および改善形態が容易に想到されることを理解されたい。たとえば、本明細書に開示される例は、他の文脈でやはり使用することができる。そのような代替形態、修正形態、および改善形態は、本開示の部分であることが意図され、本明細書で議論される例の範囲内であることが意図される。したがって、上の記載および図面は、例のためだけにある。 Thus, although some aspects of at least one example have been described, it will be appreciated by those skilled in the art that various alternatives, modifications, and improvements are readily conceived. For example, the examples disclosed herein can also be used in other contexts. Such alternatives, modifications, and improvements are intended to be part of this disclosure and are intended to be within the scope of the examples discussed herein. Therefore, the above description and drawings are for illustration purposes only.

１スプリッタ
９ミラー
１０光源、発生源、ＲＧＢ、高効率ＲＧＢ発生源
１２ファイバレーザ発生源モジュール、レーザモジュール、Ｙｂファイバレーザ
１４ポンプ、ＳＨＧ
１６ポンプモジュール、ＮＬＯ
１７光信号
１８光信号、パラメトリックＮＬＯモジュール、ＯＰＡモジュール、多段ＮＬＯモジュール
１９光信号
２０光信号
２６第１のＮＬＯ、第１の非線形結晶、ＯＰＧ
２８第１のダイクロイックミラー、ダイクロイック凹面鏡
３０ダイクロイック平面鏡
３４凹面鏡
３６第２のＮＬＯ
３８ダイクロイック曲面鏡
４０平面鏡
４２平面鏡
４４曲面鏡
４６ＳＦＳ、ＬＢＯＮＬＯ
４８曲面鏡
５０平面鏡
５２平面鏡
５４平面鏡
５６半波板
５８薄膜偏光器、ＴＦＰ
１００ｐｓファイバ発生源
１１２入力レーザパルス、初期パルス列
１２０曲線
１２２曲線
１２４曲線
１３０パルス伸張器
１３２伸張レーザパルス
１４０パルス複製モジュール、パルス複製器
１４８修正パルス列
１５０増幅器、ブースタ、ファイバブースタ
１５３チャープ増幅パルス
１５４前置増幅器
１６０アイソレータ
１７０パルス圧縮器
１７４増幅圧縮レーザパルス
４３４入力
４３６出力
４４０パルス複製モジュール、複製器
４４２入力溶融ファイバ光カプラ、光ビームスプリッタ、入力スプリッタ
４４３出力ファイバ光カプラ、コンバイナ
４４４ファイバ光カプラ
４４５光ファイバ遅延線、足、出力セグメント
４４５_１出力ファイバ、遅延線
４４５_２遅延線
４４５_３遅延線
４４５_４遅延線、出力、最終段
４４６足
４４６_１出力ファイバ
４４６_４出力、最終段
４４９段
４４９_１段
４４９_２段
４４９_３段
４４９_４段
５４０パルス複製モジュール
５４２入力溶融ファイバ光カプラ
５４３出力ファイバ光カプラ、出力コンバイナ
５４４中間ファイバカプラ
５４５_４遅延線
５４７ａ中間ファイバカプラ
５４７ｂ中間ファイバカプラ
５４９段
５４９_１第１の段
５４９_２第２の段
５４９_３第３の段
５４９_４第４の段 1 Splitter 9 Mirror 10 Light source, Source, RGB, High efficiency RGB Source 12 Fiber laser source module, Laser module, Yb fiber laser 14 Pump, SHG
16 Pump module, NLO
17 Optical signal 18 Optical signal, Parametric NLO module, OPA module, Multistage NLO module 19 Optical signal 20 Optical signal 26 First NLO, first nonlinear crystal, OPG
28 1st dichroic mirror, dichroic concave mirror 30 dichroic plane mirror 34 concave mirror 36 2nd NLO
38 Dichroic Curved Mirror 40 Plane Mirror 42 Plane Mirror 44 Curved Mirror 46 SFS, LBO NLO
48 Curved mirror 50 Plane mirror 52 Plane mirror 54 Plane mirror 56 Wave plate 58 Thin film splitter, TFP
100 ps fiber source 112 input laser pulse, initial pulse train 120 curve 122 curve 124 curve 130 pulse stretcher 132 stretched laser pulse 140 pulse replication module, pulse replicator 148 modified pulse train 150 amplifier, booster, fiber booster 153 chap amplification pulse 154 before Table Amplifier 160 Isolator 170 Pulse Compressor 174 Amplified Compressed Laser Pulse 434 Input 436 Output 440 Pulse Duplication Module, Replicator 442 Input Molten Fiber Optical Coupler, Optical Beam Splitter, Input Splitter 443 Output Fiber Optical Coupler, Combiner 444 Fiber Optical Coupler 445 Optical Fiber delay line, foot, output segment 445 ₁ output fiber, delay line 445 ₂ delay line 445 ₃ delay line 445 ₄ delay line, output, final stage 446 foot 446 ₁ output fiber 446 ₄ output, final stage 449 stage 449 ₁ stage 449 _2nd stage 449 _3rd stage 449 _4th stage 540 Pulse duplication module 542 Input molten fiber optical coupler 543 Output fiber optical coupler, output combiner 544 Intermediate fiber coupler 545 ₄ Delay line 547a Intermediate fiber coupler 547b Intermediate fiber coupler 549 Stage 549 _1st stage 549 ₂ 2nd stage 549 ₃ 3rd stage 549 ₄ 4th stage

Claims

ポンプ波長λ_ｐの直線偏波ポンプビームを受け取り、波長λ_３およびλ_４それぞれの信号ビームおよびアイドラビームを発生させるように構成される、上流光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）段であって、ポンプビーム、信号ビーム、およびアイドラビームの一部が単一の光経路に沿って伝播する、上流光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）段と、
前記光経路に沿って互いに光学的に結合される複数の中間ＯＰＡ段であって、各後続ＯＰＡ段が、前記ポンプビームの次第に弱くなる部分、および先行するＯＰＡ段からの増幅信号ビームを受け取る、複数の中間ＯＰＡ段と、
前記光経路に沿って前記ＯＰＡ段と交番する複数の時間遅延補償（ＴＤＣ）組立体であって、ポンプビームと信号ビームの間の群速度の不整合を補償し、前記ポンプビームおよび信号ビームを前記光経路に沿って案内する一方で、各後続のパラメトリック相互作用後に前記アイドラビームの伝播を防ぐように構成される、複数の時間遅延補償（ＴＤＣ）組立体と、
ポンプビームおよび増幅信号ビームの前記一部を受け取り、前記信号ビームの前記波長λ_３と異なる所望の出力波長λ_ｏで出力ビームを生成するように構成される出力ＯＰＡ段と、
を備える、多段光パラメトリック（ＯＰ）モジュール。 An upstream optical parametric amplification (OPA) stage configured to receive a linearly polarized pump beam of pump wavelength λ _p and generate signal and idler beams of wavelengths λ ₃ and λ ₄ , respectively, of the pump beam. With an upstream optical parametric amplification (OPA) stage, where the signal beam and part of the idler beam propagate along a single optical path,
A plurality of intermediate OPA stages optically coupled to each other along the optical path, each subsequent OPA stage receiving a progressively weakening portion of the pump beam and an amplified signal beam from a preceding OPA stage. With multiple intermediate OPA stages,
A plurality of time delay compensation (TDC) assemblies that alternate with the OPA stage along the optical path to compensate for group velocity inconsistencies between the pump beam and the signal beam to provide the pump beam and signal beam. A plurality of time delay compensating (TDC) assemblies configured to guide along the optical path while preventing propagation of the idler beam after each subsequent parametric interaction.
An output OPA stage configured to receive the portion of the pump beam and the amplified signal beam and generate an output beam at a desired output wavelength λ _o different from the wavelength λ ₃ of the signal beam.
Multi-stage optical parametric (OP) module.

前記信号ビームが、各々が光パラメトリック増幅器で構成される少なくとも２つ以上の中間ＯＰＡ段で次第に増幅され、前記光パラメトリック増幅器が、ＬＢＯ、ＢＢＯ、ＢｉＢＯ、ＫＴＰ、ＫＴＡ、周期分極ＬｉＮｂＯ３（ＰＰＬＮ）、または周期分極ＬｉＴａＯ３（ＰＰＬＴ）から選択される非線形結晶を各々が含む、請求項１に記載のＯＰモジュール。 The signal beam is gradually amplified in at least two or more intermediate OPA stages, each composed of an optical parametric amplifier, wherein the optical parametric amplifier is LBO, BBO, BiBO, KTP, KTA, periodic polarization LiNbO3 (PPLN). The OP module according to claim 1, wherein each of the non-linear crystals selected from periodic polarization LiTaO3 (PPLT) is contained.

前記出力ビームを生成する前記出力ＯＰＡ段は、少なくとも１つまたは複数の和周波数発生（ＳＦＧ）パラメトリックデバイス、少なくとも１つまたは複数の２次高調波発生（ＳＨＧ）パラメトリックデバイス、または前記ＳＦＧパラメトリックデバイスとＳＨＧパラメトリックデバイスの組合せを含み、前記パラメトリックデバイスが前記非線形結晶を各々含む、請求項２に記載のＯＰモジュール。 The output OPA stage that produces the output beam is with at least one or more sum frequency generation (SFG) parametric devices, at least one or more second harmonic generation (SHG) parametric devices, or the SFG parametric device. The OP module according to claim 2, wherein the combination of SHG parametric devices is included, and the parametric devices each include the nonlinear crystal.

前記出力ＯＰＡ段が、前記出力ビームの偏波を変更する半波板、および、前記出力ビームが交差偏波であるように前記出力ビームの両方の偏波を組み合わせるように構成されるコンバイナで構成される、請求項１に記載のＯＰモジュール。 The output OPA stage is composed of a wave plate that changes the polarization of the output beam and a combiner configured to combine both polarizations of the output beam so that the output beam is cross-polarized. The OP module according to claim 1.

前記出力ＯＰＡ段が、２つの離間した上流ＳＦＧデバイスおよび下流ＳＦＧデバイス、ならびに前記常駐および下流ＳＦＧデバイス間の半波板で構成される、請求項１に記載のＯＰモジュール。 The OP module according to claim 1, wherein the output OPA stage is composed of two separated upstream SFG devices and downstream SFG devices, and a wave plate between the resident and downstream SFG devices.

前記ＴＤＣ組立体が、チャープミラー、ダイクロイックミラー、もしくは複屈折窓、または前記ミラーと複屈折窓の組合せで各々構成される、請求項１に記載のＯＰモジュール。 The OP module according to claim 1, wherein the TDC assembly is each composed of a chirped mirror, a dichroic mirror, or a birefringent window, or a combination of the mirror and the birefringent window.

前記ポンプ波長λ_ｐが５１５ｎｍ波長に中心がある緑色光範囲にあって前記出力波長λ_ｏが４４３～４６７ｎｍ波長範囲の青色光にある、または前記ポンプ波長λ_ｐが１０３０ｎｍ波長に中心があるＩＲ光範囲にあって前記出力波長λ_ｏが１７００～２５００ｎｍ範囲にある、請求項１に記載のＯＰモジュール。 IR light whose pump wavelength λ _p is in the green light range centered at the 515 nm wavelength and whose output wavelength λ _o is in the blue light in the 443-467 nm wavelength range, or whose pump wavelength λ _p is centered at the 1030 nm wavelength. The OP module according to claim 1, wherein the output wavelength λ _o is in the range of 1700 to 2500 nm.

前記上流ＯＰＡ段、中間ＯＰＡ段、および出力ＯＰＡ段ならびにＴＤＣ組立体が、角がある前記単一の光経路に沿って配置される、真っ直ぐな単一光に沿ってすべてインラインである、請求項１に記載のＯＰモジュール。 Claim that the upstream OPA stage, the intermediate OPA stage, and the output OPA stage and the TDC assembly are all inline along a straight single light path arranged along the single optical path with corners. The OP module according to 1.

ポンプビーム、信号ビーム、および出力ビームのための出力分離を実現する、少なくとも１つの出力波長フィルタをさらに備える、請求項１に記載のＯＰモジュール。 The OP module of claim 1, further comprising at least one output wavelength filter that provides output separation for the pump beam, signal beam, and output beam.

前記ＯＰＡ段が、角がある前記単一の光経路に沿って互いに離間され、
前記上流ＯＰＡ段および中間ＯＰＡ段が、前記単一の角がある光経路に沿った１つの方向および反対の平行でない方向に、前記ポンプビームおよび信号ビームが通過する光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）を各々含み、
前記出力ＯＰＡ段が、少なくとも１つまたは複数の和周波数発生（ＳＦＧ）パラメトリックデバイス、少なくとも１つまたは複数の２次高調波発生（ＳＨＧ）パラメトリックデバイス、または前記ＳＦＧパラメトリックデバイスとＳＨＧパラメトリックデバイスの組合せを含み、前記ポンプビーム、信号ビーム、および出力ビームの前記一部が前記出力ＯＰＡ段を、１つの方向および反対の方向に交差し、その結果、前記ＯＰＡ段が前記出力波長λｏの２つの出力ビームを生成し、偏波組立体が、前記出力ビームのうちの１つの直線偏波を偏移して、組み合わせた交差偏波した出力ビームを設けるように、異なる偏波と前記出力ビームをさらに組み合わせるように構成される、請求項１に記載のＯＰモジュール。 The OPA stages are separated from each other along the single optical path with corners.
The upstream OPA stage and the intermediate OPA stage each pass an optical parametric amplifier (OPA) through which the pump beam and signal beam pass in one direction along the optical path with the single angle and in opposite non-parallel directions. Including,
The output OPA stage may include at least one or more sum frequency generation (SFG) parametric devices, at least one or more second harmonic generation (SHG) parametric devices, or a combination of the SFG parametric device and the SHG parametric device. The pump beam, the signal beam, and the portion of the output beam intersect the output OPA stage in one direction and the opposite direction, so that the OPA stage has two output beams having the output wavelength λo. And further combine the different polarizations with the output beam so that the polarization assembly shifts the linear polarization of one of the output beams to provide a combined cross-polarized output beam. The OP module according to claim 1, which is configured as follows.

単一の光経路に沿ってポンプ波長λ_ｐの直線偏波パルスポンプビームを発生するように動作可能な、ｐｓファイバレーザベース光ポンプと、
前記光ポンプから下流でポンプビームを受け取って、
ポンプ波長λ_ｐの直線偏波ポンプビームを受け取り、前記単一の光経路に沿って同軸で伝播する、波長λ_３およびλ_４それぞれの信号ビームおよびアイドラビームを発生させるように構成される、上流光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）段、
前記光経路に沿って互いに光学的に結合される複数の中間ＯＰＡ段であって、各後続ＯＰＡ段が、前記ポンプビームの次第に弱くなる部分、および先行するＯＰＡ段からの増幅信号ビームを受け取る、複数の中間ＯＰＡ段、
前記光経路に沿って前記ＯＰＡ段と交番する複数の時間遅延補償（ＴＤＣ）組立体であって、ポンプビームと信号ビームの間の群速度の不整合を補償し、前記ポンプビームおよび信号ビームを前記光経路に沿って案内する一方で、各後続のパラメトリック相互作用後に前記アイドラビームの伝播を防ぐように構成される、複数の時間遅延補償（ＴＤＣ）組立体
で構成される、波長変換パラメトリックモジュールと、
ポンプビームおよび増幅信号ビームの一部を受け取り、所望の出力波長λｏで出力ビームを生成するように構成される出力ＯＰＡ段と、
を備える、ピコ秒（ｐｓ）単一モード（ＳＭ）パルスレーザ発生源。 With a ps fiber laser-based optical pump capable of operating to generate a linearly polarized pulse pump beam with a pump wavelength of λ _p along a single optical path,
Receiving the pump beam downstream from the optical pump,
Configured to receive a linearly polarized pump beam of pump wavelength λ _p and generate signal and idler beams of wavelengths λ ₃ and λ ₄ respectively, which propagate coaxially along said single optical path. Current parametric amplification (OPA) stage,
A plurality of intermediate OPA stages optically coupled to each other along the optical path, each subsequent OPA stage receiving a progressively weakening portion of the pump beam and an amplified signal beam from a preceding OPA stage. Multiple intermediate OPA stages,
A plurality of time delay compensation (TDC) assemblies that alternate with the OPA stage along the optical path to compensate for group velocity inconsistencies between the pump beam and the signal beam to provide the pump beam and signal beam. A wavelength conversion parametric module consisting of multiple time delay compensating (TDC) assemblies configured to guide along the optical path while preventing propagation of the idler beam after each subsequent parametric interaction. When,
An output OPA stage configured to receive a portion of the pump beam and amplified signal beam and generate an output beam at the desired output wavelength λo.
A picosecond (ps) single mode (SM) pulsed laser source.

前記信号ビームが、各々が光パラメトリック増幅器で構成される少なくとも２つ以上の中間ＯＰＡ段で次第に増幅され、前記光パラメトリック増幅器が、ＬＢＯまたはＢＢＯまたはＢｉＢＯから選択される非線形結晶を各々が含む、請求項１１に記載のｐｓＳＭパルスレーザ発生源。 The signal beam is progressively amplified in at least two or more intermediate OPA stages, each comprising an optical parametric amplifier, each comprising a nonlinear crystal selected from LBO or BBO or BiBO. Item 11. The psSM pulse laser generation source according to Item 11.

前記出力ビームを生成する前記出力ＯＰＡ段は、少なくとも１つまたは複数の和周波数発生（ＳＦＧ）パラメトリックデバイス、少なくとも１つまたは複数の２次高調波発生（ＳＨＧ）パラメトリックデバイス、または前記ＳＦＧパラメトリックデバイスとＳＨＧパラメトリックデバイスの組合せを含み、前記パラメトリックデバイスが前記非線形結晶を各々含む、請求項１１に記載のｐｓＳＭパルスレーザ発生源。 The output OPA stage that produces the output beam is with at least one or more sum frequency generation (SFG) parametric devices, at least one or more second harmonic generation (SHG) parametric devices, or the SFG parametric device. The psSM pulsed laser generator according to claim 11, comprising a combination of SHG parametric devices, wherein the parametric device comprises each of the nonlinear crystals.

前記出力ＯＰＡ段が、前記出力ビームの偏波を変更する半波板、および、前記出力ビームが交差偏波であるように前記出力ビームの両方の偏波を組み合わせるように構成されるコンバイナで構成される、請求項１１に記載のｐｓＳＭパルスレーザ発生源。 The output OPA stage comprises a half-wave plate that changes the polarization of the output beam and a combiner configured to combine both polarizations of the output beam so that the output beam is cross-polarized. The psSM pulsed laser generation source according to claim 11.

前記出力ＯＰＡ段が、２つの離間した上流ＳＦＧデバイスおよび下流ＳＦＧデバイス、ならびに前記上流および下流ＳＦＧデバイス間の半波板で構成される、請求項１１に記載のｐｓＳＭパルスレーザ発生源。 The psSM pulsed laser generation source according to claim 11, wherein the output OPA stage is composed of two separated upstream SFG devices and downstream SFG devices, and a half-corrugated plate between the upstream and downstream SFG devices.

前記ＴＤＣ組立体が、チャープミラー、ダイクロイックミラー、もしくは複屈折窓、または前記ミラーと複屈折窓の組合せで各々構成される、請求項１１に記載のｐｓＳＭパルスレーザ発生源。 The psSM pulse laser generator according to claim 11, wherein the TDC assembly is each composed of a chirped mirror, a dichroic mirror, or a birefringent window, or a combination of the mirror and the birefringent window.

前記ポンプ波長λ_ｐが５１５ｎｍ波長に中心がある緑色光範囲にあって前記出力波長λ_ｏが４４３～４６７ｎｍ波長範囲の青色光にあり、または前記ポンプ波長λ_ｐが１０３０ｎｍ波長に中心があるＩＲ光範囲にあって前記出力波長λ_ｏが１７００～２５００ｎｍ範囲にあり、前記出力波長λ_ｏの青色光ｐｓパルスが最高１０００Ｗの平均パワーおよび１．５～３ｎｍスペクトル線幅範囲を各々有する、請求項１１に記載のｐｓＳＭパルスレーザ発生源。 IR light whose pump wavelength λ _p is in the green light range centered at 515 nm wavelength and whose output wavelength λ _o is in blue light in the 443-467 nm wavelength range, or whose pump wavelength λ _p is centered at 1030 nm wavelength. 11. The output wavelength λ _o is in the range of 1700 to 2500 nm, and the blue light ps pulse of the output wavelength λ _o has an average power of up to 1000 W and a spectral line width range of 1.5 to 3 nm, respectively. The psSM pulse laser source according to.

前記上流ＯＰＡ段、中間ＯＰＡ段、および出力ＯＰＡ段ならびにＴＤＣ組立体が、互いにインラインである、または角がある前記単一の光経路の光に沿っている、請求項１１に記載のｐｓＳＭパルスレーザ発生源。 11. The psSM pulsed laser of claim 11, wherein the upstream OPA stage, intermediate OPA stage, and output OPA stage and TDC assembly are inline with each other or along the light of the single optical path with angles. Generation source.

ポンプビーム、信号ビーム、および出力ビームのための出力分離を実現する、少なくとも１つの出力波長フィルタをさらに備える、請求項１１に記載のｐｓＳＭパルスレーザ発生源。 The psSM pulsed laser source according to claim 11, further comprising at least one output wavelength filter that provides output separation for the pump beam, signal beam, and output beam.

前記ファイバレーザベース光ポンプが、
基本波長λ_ｆのｐｓパルスの入力列を提供するパルス領域またはバースト領域で動作するように構成される、Ｙｂモードロックファイバレーザと、
パルス持続時間を伸ばし、伸張パルスの列を生成するように構成される、光パルス伸張器と、
前記光パルス伸張器に光学的に結合され、各パルスを複数の複製へとセグメント化するように構成される、パルス複製モジュールと、
前記パルス複製モジュールに光学的に結合され、各複製を増幅するように構成される、ファイバパワー増幅器と、
前記ファイバパワー増幅器に光学的に結合され、前記増幅した複製を前記基本波長のそれぞれのｐｓパルスに時間的に圧縮するように構成される、パルス圧縮器と、
前記ポンプ波長λ_ｐの前記ポンプ出力ビームを出力する、２次高調波発生器（ＳＨＧ）と、
を備える、請求項１１に記載のｐｓＳＭパルスレーザ発生源。 The fiber laser-based optical pump
A Yb mode lock fiber laser configured to operate in a pulse or burst region that provides an input sequence of ps pulses of fundamental wavelength λ _f .
With an optical pulse stretcher, which is configured to stretch the pulse duration and generate a sequence of stretched pulses,
A pulse replication module that is optically coupled to the optical pulse stretcher and is configured to segment each pulse into multiple replicas.
A fiber power amplifier that is optically coupled to the pulse replication module and is configured to amplify each replication.
A pulse compressor that is optically coupled to the fiber power amplifier and configured to temporally compress the amplified replica into each ps pulse of the fundamental wavelength.
A second harmonic generator (SHG) that outputs the pump output beam of the pump wavelength λ _p , and
11. The psSM pulsed laser generator according to claim 11.

前記パルス複製モジュールが、１つまたは複数の時間遅延段を含み、各遅延段が、入力ビームスプリッタ、出力溶融ファイバ光カプラ、およびその間に配設されて隣接する複製間に時間遅延をもたらす光ファイバ遅延線を含み、前記時間遅延が各連続段で予め規定された量だけ増減され、前記予め規定された量がすべての段で均一であるまたは少なくとも１つの段で異なる、請求項２０に記載のｐｓＳＭパルスレーザ発生源。 The pulsed replication module comprises one or more time delay stages, each delay stage being an input beam splitter, an output molten fiber optical coupler, and an optical fiber disposed between them that results in a time delay between adjacent replications. 20. The invention of claim 20, wherein the time delay is incremented or decremented by a predetermined amount in each continuous stage, including a delay line, the predetermined amount being uniform in all stages or different in at least one stage. psSM pulsed laser source.

前記光ポンプがファイバマスタ発振器およびパワー増幅器（ＭＯＰＡ）アーキテクチャを有し、前記ファイバマスタ発振器がリング共振器を有するＹｂモードロックファイバレーザであり、パワー増幅器がファイバ増幅器またはＹｂ：ＹＡＧである、請求項２０に記載のｐｓＳＭパルスレーザ発生源。 The optical pump has a fiber master oscillator and a power amplifier (MOPA) architecture, the fiber master oscillator is a Yb mode lock fiber laser with a ring resonator, and the power amplifier is a fiber amplifier or Yb: YAG. 20. The psSM pulsed laser generator.