JP3479735B2 - 短光パルスの増幅装置および発生装置、非線形群速度分散ミスマッチの補正方法 - Google Patents
短光パルスの増幅装置および発生装置、非線形群速度分散ミスマッチの補正方法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はレーザー技術に関す
るものである。その中でも、特に光学的超短パルスの増
幅に関する発明である。
るものである。その中でも、特に光学的超短パルスの増
幅に関する発明である。
【０００２】
【従来の技術】超短パルスの増幅器は、増幅器の光学部
品のパルス尖頭値からくる限界のため、通常、チャープ
・パルス増幅法（ＣＰＡ）が採用されている（D．Stric
klandand G.Mourou,"Compression of Amplified Chirpe
d Optical Pulses",Opt.Commun.56,219(1985)）。この
方法では、初期の超短パルスは十分な時間幅（通常０．
１〜１ns）に伸張され、増幅器内部で発生する好ましく
ないピークを除き、その後増幅し、再圧縮して初期の短
い時間幅のパルスとして保存する。
品のパルス尖頭値からくる限界のため、通常、チャープ
・パルス増幅法（ＣＰＡ）が採用されている（D．Stric
klandand G.Mourou,"Compression of Amplified Chirpe
d Optical Pulses",Opt.Commun.56,219(1985)）。この
方法では、初期の超短パルスは十分な時間幅（通常０．
１〜１ns）に伸張され、増幅器内部で発生する好ましく
ないピークを除き、その後増幅し、再圧縮して初期の短
い時間幅のパルスとして保存する。
【０００３】現在、ＣＰＡは、異なったエネルギー、時
間幅、波長をもつパルスを発生する種々のレーザー装置
に一般的に採用されている技術である。高エネルギー、
短時間幅を追求することこととは別に、これを商品とし
て開発する幅広い努力がなされている。商業的に成り立
つレーザー装置に対する要求は、小型簡潔で、かつ強固
で信頼性があり、それに原価に見合った性能である。し
かし、現在の高エネルギーＣＰＡ装置の欠点は複雑さと
大きさである。いままでのそれらは高価で大型で、操作
者の熟練度が要求され、保守費用も高額である。
間幅、波長をもつパルスを発生する種々のレーザー装置
に一般的に採用されている技術である。高エネルギー、
短時間幅を追求することこととは別に、これを商品とし
て開発する幅広い努力がなされている。商業的に成り立
つレーザー装置に対する要求は、小型簡潔で、かつ強固
で信頼性があり、それに原価に見合った性能である。し
かし、現在の高エネルギーＣＰＡ装置の欠点は複雑さと
大きさである。いままでのそれらは高価で大型で、操作
者の熟練度が要求され、保守費用も高額である。
【０００４】典型的なＣＰＡ装置はパルス源、パルス伸
張器と再圧縮器との組み合わせ、および光学的増幅器か
ら構成されている。高エネルギー装置（出力パルスのエ
ネルギーがμＪ〜Ｊ）では、１０3〜１０5の伸張比を達
成するために、パルス伸張器は、大きな群速度分散（Ｇ
ＶＤ）能力を備えていなければならない。パルス圧縮器
は、同調した圧縮比を持つべきで、更に再圧縮パルスの
ピーク高さを傷つけたり、乱したりしてはならない。現
在、高エネルギー装置に対する上記の要求は、伸張器と
圧縮器とに回折格子を用いることで満たされている。
張器と再圧縮器との組み合わせ、および光学的増幅器か
ら構成されている。高エネルギー装置（出力パルスのエ
ネルギーがμＪ〜Ｊ）では、１０3〜１０5の伸張比を達
成するために、パルス伸張器は、大きな群速度分散（Ｇ
ＶＤ）能力を備えていなければならない。パルス圧縮器
は、同調した圧縮比を持つべきで、更に再圧縮パルスの
ピーク高さを傷つけたり、乱したりしてはならない。現
在、高エネルギー装置に対する上記の要求は、伸張器と
圧縮器とに回折格子を用いることで満たされている。
【０００５】負のＧＶＤは、従来一対の収束回折格子
（一般的にはトレーシーの構成として知られている）
（Ｅ．Ｂ．Treacy：Optical Pulse Compression With D
iffraction Gratings、ＩＥＥＥＪ．Quant．Electr．QE
-5、454（1965）を見よ）。正のＧＶＤは従来、反平行
格子とその間に望遠鏡を入れて構成されている（マルチ
ネズの構成）（O.E.Martinez、“3000 Times Grating C
ompressor with PositiveGroup Velocity Dispersion、
Application to Fiber Compression in 1.3-1.6μｍReg
ion、”IEEE J．Quant．Elect.QE-23、59（1987）を見
よ）。トレーシーの構成は格子間に何らの材料も存在せ
ず、そのため光学的損傷を受けず、非線型効果も現れな
いので、高エネルギーにおけるパルス圧縮に対しては好
ましい。伸張器と圧縮器ＧＶＤとを完全に整合させるに
は、同一入射角に設定された同じ回折格子を使い、格子
間の距離を同一にし、収差の無い望遠鏡を使うことが要
求される。実際には、光学的増幅部品の付加的なＧＶ
Ｄ、望遠鏡の収差、フェムト秒（ｆｓ）パルスに対する
非常に厳密な設定公差などのため、このような完全な整
合をさせることは困難である（例えば、B.E.Lermoff 、
C.P.J.Barty、“Quintic−phase−limited、spatially
uniform expansion and recompression of ultrashort
optical pulse、”Opt.Lett．18、1651(1993)）。
（一般的にはトレーシーの構成として知られている）
（Ｅ．Ｂ．Treacy：Optical Pulse Compression With D
iffraction Gratings、ＩＥＥＥＪ．Quant．Electr．QE
-5、454（1965）を見よ）。正のＧＶＤは従来、反平行
格子とその間に望遠鏡を入れて構成されている（マルチ
ネズの構成）（O.E.Martinez、“3000 Times Grating C
ompressor with PositiveGroup Velocity Dispersion、
Application to Fiber Compression in 1.3-1.6μｍReg
ion、”IEEE J．Quant．Elect.QE-23、59（1987）を見
よ）。トレーシーの構成は格子間に何らの材料も存在せ
ず、そのため光学的損傷を受けず、非線型効果も現れな
いので、高エネルギーにおけるパルス圧縮に対しては好
ましい。伸張器と圧縮器ＧＶＤとを完全に整合させるに
は、同一入射角に設定された同じ回折格子を使い、格子
間の距離を同一にし、収差の無い望遠鏡を使うことが要
求される。実際には、光学的増幅部品の付加的なＧＶ
Ｄ、望遠鏡の収差、フェムト秒（ｆｓ）パルスに対する
非常に厳密な設定公差などのため、このような完全な整
合をさせることは困難である（例えば、B.E.Lermoff 、
C.P.J.Barty、“Quintic−phase−limited、spatially
uniform expansion and recompression of ultrashort
optical pulse、”Opt.Lett．18、1651(1993)）。
【０００６】回折格子を使う大きな問題は装置が大きく
なることである。約１ｎｓにパルスを広げるには通常１
−２ｍの格子間の距離を必要とする。この距離は光ファ
イバーを使ったコンパクトな装置では受け入れ難いこと
である。一対の回折格子の代替としてコンパクトな圧縮
器（例えばファイバー）を使い、この問題を一部解決し
ようとする試みがある。これによって伸張器／圧縮器の
配列全体の大きさを可成り縮め得るだろう。最初のＣＰ
Ａでは初期パルスの伸張に標準的なファイバーが、パル
スの圧縮に回折格子が使われていた。ファイバーは非線
型効果の閾値が非常に低いのでパルスの圧縮には使えな
い。ここでの問題はデバイスの基礎となる光ファイバー
と回折格子対が、それぞれのデバイスで異なった線形性
のみならず高次のＧＶＤ項を示すことである。このこと
により、これらのＧＶＤを完全に整合させることは不可
能である。例えば大きな拡大比に於いては、再圧縮され
たパルスの時間幅が約１ｐｓ以上の長さであるために、
ＧＶＤの３次項の誤整合が著しくなる（P.Marine、D.Str
ickland、P.Bado、M.Pessotand G.Mourou、“Generatio
n of Ultrahigh Peak Power Pulses by Chirped Pulse
Amplification、”IEEE J．Quant．Electron．QE-24、39
8(1988)）。
なることである。約１ｎｓにパルスを広げるには通常１
−２ｍの格子間の距離を必要とする。この距離は光ファ
イバーを使ったコンパクトな装置では受け入れ難いこと
である。一対の回折格子の代替としてコンパクトな圧縮
器（例えばファイバー）を使い、この問題を一部解決し
ようとする試みがある。これによって伸張器／圧縮器の
配列全体の大きさを可成り縮め得るだろう。最初のＣＰ
Ａでは初期パルスの伸張に標準的なファイバーが、パル
スの圧縮に回折格子が使われていた。ファイバーは非線
型効果の閾値が非常に低いのでパルスの圧縮には使えな
い。ここでの問題はデバイスの基礎となる光ファイバー
と回折格子対が、それぞれのデバイスで異なった線形性
のみならず高次のＧＶＤ項を示すことである。このこと
により、これらのＧＶＤを完全に整合させることは不可
能である。例えば大きな拡大比に於いては、再圧縮され
たパルスの時間幅が約１ｐｓ以上の長さであるために、
ＧＶＤの３次項の誤整合が著しくなる（P.Marine、D.Str
ickland、P.Bado、M.Pessotand G.Mourou、“Generatio
n of Ultrahigh Peak Power Pulses by Chirped Pulse
Amplification、”IEEE J．Quant．Electron．QE-24、39
8(1988)）。
【０００７】最近、ファイバー伸張器とプリズム面に直
接画かれた回折格子圧縮器との間で、１００ｆｓパルス
の３次項を完全に整合させる解が示された（“pris
m”）（S．Kane and J.Squier，“Grating Compensatio
n of Third-Order Material Dispersion in the Normal
Dispersion Regime：Sub-100-fs Chirped-Pulse Ampli
fication Using a Fiber Stretcher and Grating-Pair
Compressor，” IEEE J．Quant．Electron．QE-31、2052
(1995)）。しかし、この解には重大な限界がある。その
第１は、４次以上のＧＶＤを補償出来ないことである。
４次以上の項の補償はより大きな伸張率の場合と、１０
０ｆｓより短いパルスの場合には重要である。その第２
は、ファイバーにおける線形のＧＶＤが大きく、線形／
非線形比の大きさが格子のそれと同程度である場合に
は、その解は約８００ｎｍの波長領域のみを示すだけで
ある。例えば、１５５０ｎｍに於いては、この概念によ
って３次のＧＶＤの大きな食い違いを解決することは困
難である。
接画かれた回折格子圧縮器との間で、１００ｆｓパルス
の３次項を完全に整合させる解が示された（“pris
m”）（S．Kane and J.Squier，“Grating Compensatio
n of Third-Order Material Dispersion in the Normal
Dispersion Regime：Sub-100-fs Chirped-Pulse Ampli
fication Using a Fiber Stretcher and Grating-Pair
Compressor，” IEEE J．Quant．Electron．QE-31、2052
(1995)）。しかし、この解には重大な限界がある。その
第１は、４次以上のＧＶＤを補償出来ないことである。
４次以上の項の補償はより大きな伸張率の場合と、１０
０ｆｓより短いパルスの場合には重要である。その第２
は、ファイバーにおける線形のＧＶＤが大きく、線形／
非線形比の大きさが格子のそれと同程度である場合に
は、その解は約８００ｎｍの波長領域のみを示すだけで
ある。例えば、１５５０ｎｍに於いては、この概念によ
って３次のＧＶＤの大きな食い違いを解決することは困
難である。
【０００８】調整できる３次項と４次項の分散を制御す
るための解は次の文献に示されている。W.E.White,F．
G.Patterson,R.L.Combs,D.F.Price and R.L.Sepherd，
“Compensation of High-order frequency-dependent p
hase terms in chirped-pulseamplification system
s,”Opt.Lett.18,1343(1993). ここでは、複合レンズの
収差がマルチネズの伸張器に利用されている。この３次
項と４次項を制御することは、標準の回折格子を使う伸
張器と圧縮器の構成から忠実にパルスを増やすために、
再圧縮パルスの位相を極微細に調整することを利用して
いる。色消し二重レンズは、回折面の回折格子から回折
した発散光を収束させるために組み込まれた、マルチネ
ズ望遠装置における一つのレンズの役目を果たす。同時
にその光を回折面に垂直に組み込まれた鏡面上に収束さ
せる。この設計は、正と負の曲率を持つレンズを互いに
組み合わせた二重レンズを動かすことにより、非線型Ｇ
ＶＤを制御できるものである。
るための解は次の文献に示されている。W.E.White,F．
G.Patterson,R.L.Combs,D.F.Price and R.L.Sepherd，
“Compensation of High-order frequency-dependent p
hase terms in chirped-pulseamplification system
s,”Opt.Lett.18,1343(1993). ここでは、複合レンズの
収差がマルチネズの伸張器に利用されている。この３次
項と４次項を制御することは、標準の回折格子を使う伸
張器と圧縮器の構成から忠実にパルスを増やすために、
再圧縮パルスの位相を極微細に調整することを利用して
いる。色消し二重レンズは、回折面の回折格子から回折
した発散光を収束させるために組み込まれた、マルチネ
ズ望遠装置における一つのレンズの役目を果たす。同時
にその光を回折面に垂直に組み込まれた鏡面上に収束さ
せる。この設計は、正と負の曲率を持つレンズを互いに
組み合わせた二重レンズを動かすことにより、非線型Ｇ
ＶＤを制御できるものである。
【０００９】しかしこの方法で達成できる非線型ＧＶＤ
の大きさは本質的に非常に小さい。色消し二重レンズは
わずかな収差が出る。垂直面において常に光を平行に
し、同時に収束させたいという要求に対して、レンズは
数分の一ｍｍ以上動かすことは出来ない。この設計でな
し得る３次と４次のＧＶＤの調整量は、それぞれ〜１０
-40ｓ3〜１０-52ｓ4である。〜１ｋｍのファイバーと回
折格子対の間のＧＶＤ整合に対して、３次項と４次項の
制御に要求される大きさはそれぞれ〜１０-35ｓ3〜１０
-49ｓ4のオーダーである。現在、異なった伸張器と圧縮
器との間のこのような大きな誤整合を補償する方法は知
られていない。
の大きさは本質的に非常に小さい。色消し二重レンズは
わずかな収差が出る。垂直面において常に光を平行に
し、同時に収束させたいという要求に対して、レンズは
数分の一ｍｍ以上動かすことは出来ない。この設計でな
し得る３次と４次のＧＶＤの調整量は、それぞれ〜１０
-40ｓ3〜１０-52ｓ4である。〜１ｋｍのファイバーと回
折格子対の間のＧＶＤ整合に対して、３次項と４次項の
制御に要求される大きさはそれぞれ〜１０-35ｓ3〜１０
-49ｓ4のオーダーである。現在、異なった伸張器と圧縮
器との間のこのような大きな誤整合を補償する方法は知
られていない。
【００１０】大きさと、利得の様式に関して、ＣＰＡの
中間増幅装置は主に二つの部分に分けられる。これらは
ファイバー（A.Galvanauskas，M.E.Fermann，P.Blixt，
J.A.Tellefsen,D.Harter，“Hybrid diode-laser fiber
-amplifier source of highenergy ultrashort pulse
s,”Opt.Lett.19,1043(1994)）と固体増幅器（P.Maine,
D.Strickland,P.Bado,M.Pessot,and G.Mourou,“Genera
tion of Ultrahigh Peak Power Pulses by Chirped Pul
se Amplification,”IEEE J,Quant.Electron.QE-24,398
(1988)）である。ファイバー増幅器は固体増幅器よりコ
ンパクトで強固であるが、これらの最大パルスエネルギ
ーは、増幅媒体の断面積が小さいために限定される（通
常、シングルモードのファイバーの芯はわずか５−１０
μｍである。ファイバーシステムは１０〜１００μＪの
エネルギーを射出することが出来る。一方、固体システ
ムは〜１Ｊ以下である。
中間増幅装置は主に二つの部分に分けられる。これらは
ファイバー（A.Galvanauskas，M.E.Fermann，P.Blixt，
J.A.Tellefsen,D.Harter，“Hybrid diode-laser fiber
-amplifier source of highenergy ultrashort pulse
s,”Opt.Lett.19,1043(1994)）と固体増幅器（P.Maine,
D.Strickland,P.Bado,M.Pessot,and G.Mourou,“Genera
tion of Ultrahigh Peak Power Pulses by Chirped Pul
se Amplification,”IEEE J,Quant.Electron.QE-24,398
(1988)）である。ファイバー増幅器は固体増幅器よりコ
ンパクトで強固であるが、これらの最大パルスエネルギ
ーは、増幅媒体の断面積が小さいために限定される（通
常、シングルモードのファイバーの芯はわずか５−１０
μｍである。ファイバーシステムは１０〜１００μＪの
エネルギーを射出することが出来る。一方、固体システ
ムは〜１Ｊ以下である。
【００１１】ＣＰＡ装置として、コンパクトな発生源と
固体増幅器を組み合わせて、大きさを小さくする妥協策
も試みられている。固体ＣＰＡ装置に入射するための超
短パルスを発生するために、半導体ダイオードおよび倍
周波ファイバーレーザーを用いることが出来る（A.Hari
haran,M.E.Fermann,M.L.Stock,D.Harter,and J.Squie
r,"Alexandrite-pumped alexandrite regenerative amp
lifier for femtosecondpulse amplification,"Opt.Let
t.21,128(1996);P.J.Delfyett,S.Grantham,K.Dabel,A.Y
usim,S.See,M.Richardson,G.Alphonse,J.Connoly,"Ultr
afast semiconductor-laser-diode-seeded CR:LiSAF re
generative amplifier system,"in conference on Lase
rs and Electro-Optics,1995 Technical Digest Serie
s,Vol.15 (Optical Society of America Washington,D.
C.,1995),paper CThM6）。この構想の主な欠点は、出射
パルスのエネルギーが低いことで、その結果、コンパク
トな半導体を使うことによりさらに大きさを縮小するこ
とや、ＣＰＡの初段の増幅にファイバー増幅器を使うこ
とが出来ないばかりか、高度に増幅された増幅器からの
自発放射がバックグラウンドになり、著しく利得幅を狭
くすることになる。半導体を使うことの欠点は、半導体
増幅器が実質的にパルスエネルギー（＜１００ｐＪ）を
出せないことである。また、ファイバー増幅器は、固体
増幅器の通常の波長（８００ｎｍ近辺）から遥かに離れ
た長波長（１．５５μｍ）で動作することである。
固体増幅器を組み合わせて、大きさを小さくする妥協策
も試みられている。固体ＣＰＡ装置に入射するための超
短パルスを発生するために、半導体ダイオードおよび倍
周波ファイバーレーザーを用いることが出来る（A.Hari
haran,M.E.Fermann,M.L.Stock,D.Harter,and J.Squie
r,"Alexandrite-pumped alexandrite regenerative amp
lifier for femtosecondpulse amplification,"Opt.Let
t.21,128(1996);P.J.Delfyett,S.Grantham,K.Dabel,A.Y
usim,S.See,M.Richardson,G.Alphonse,J.Connoly,"Ultr
afast semiconductor-laser-diode-seeded CR:LiSAF re
generative amplifier system,"in conference on Lase
rs and Electro-Optics,1995 Technical Digest Serie
s,Vol.15 (Optical Society of America Washington,D.
C.,1995),paper CThM6）。この構想の主な欠点は、出射
パルスのエネルギーが低いことで、その結果、コンパク
トな半導体を使うことによりさらに大きさを縮小するこ
とや、ＣＰＡの初段の増幅にファイバー増幅器を使うこ
とが出来ないばかりか、高度に増幅された増幅器からの
自発放射がバックグラウンドになり、著しく利得幅を狭
くすることになる。半導体を使うことの欠点は、半導体
増幅器が実質的にパルスエネルギー（＜１００ｐＪ）を
出せないことである。また、ファイバー増幅器は、固体
増幅器の通常の波長（８００ｎｍ近辺）から遥かに離れ
た長波長（１．５５μｍ）で動作することである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、短光
パルスの増幅装置をして、その大きさを小さくし、強度
を上げ、信頼性を増し、費用対効果に優れた性能を有す
るものにすることである。
パルスの増幅装置をして、その大きさを小さくし、強度
を上げ、信頼性を増し、費用対効果に優れた性能を有す
るものにすることである。
【００１３】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】本
発明は、伸張器と圧縮器との両方を持つチャープパルス
の増幅器と、高エネルギーで超短な光パルスを発生する
光学的増幅器との混成方式を提供することを目的とす
る。後者の光学的増幅器は、光の強度が低い場合、光路
にコンパクトな部品を使い、光の尖頭値の強度が大き過
ぎてコンパクトな部品では耐えられない場合は、最終段
に大型部品を使うものである。このような混成構造にす
れば、本質的におおきさを小さく出来、装置の原価も低
くでき、強度と信頼性が上がり、出力パルスの持続時
間、バンド幅、エネルギーとコントラスト比などのよう
な動作特性を改善することができる。
発明は、伸張器と圧縮器との両方を持つチャープパルス
の増幅器と、高エネルギーで超短な光パルスを発生する
光学的増幅器との混成方式を提供することを目的とす
る。後者の光学的増幅器は、光の強度が低い場合、光路
にコンパクトな部品を使い、光の尖頭値の強度が大き過
ぎてコンパクトな部品では耐えられない場合は、最終段
に大型部品を使うものである。このような混成構造にす
れば、本質的におおきさを小さく出来、装置の原価も低
くでき、強度と信頼性が上がり、出力パルスの持続時
間、バンド幅、エネルギーとコントラスト比などのよう
な動作特性を改善することができる。
【００１４】本発明は、異なったタイプの伸張器と圧縮
器との間の非常に大きなＧＶＤ誤整合を補償する手段で
ある。このような補償は、コンパクトな伸張用配列とバ
ルク圧縮配列とを結合することにより為すことが出来、
このことにより装置の全体の大きさを著しく小さく出来
る。バルク部品は大きいパルスエネルギーの場合、装置
の出力段には必要である。本発明のある実施例によれ
ば、レンズ配列の光学的収差あるいは、非線型でチャー
プなブラッグ回折がこの補償に用いられる
器との間の非常に大きなＧＶＤ誤整合を補償する手段で
ある。このような補償は、コンパクトな伸張用配列とバ
ルク圧縮配列とを結合することにより為すことが出来、
このことにより装置の全体の大きさを著しく小さく出来
る。バルク部品は大きいパルスエネルギーの場合、装置
の出力段には必要である。本発明のある実施例によれ
ば、レンズ配列の光学的収差あるいは、非線型でチャー
プなブラッグ回折がこの補償に用いられる
【００１５】本発明によれば、任意のある特殊なＣＰＡ
装置は二つの部品のうちいずれか一つを含むか、または
発明の両方の部品を結合することができる。これは模式
的に図１および図２にに示されている。図１は、従来の
非混成ＣＰＡ装置に使われているコンパクトな伸張器２
０とバルク圧縮器４０から構成されている。特に図１に
示したように、例示した装置はパルスＰを発生し、適当
な時間信号をトリガー用電子回路５０に送る発振器１０
を構成している。パルスＰはコンパクトな伸張器２０で
引き伸ばされ、トリガー用電子回路からの信号とともに
光学的増幅器３０に入る。増幅されたパルスＡＰはバル
ク圧縮器４０で圧縮されて、増幅された圧縮パルスＣＰ
となる。
装置は二つの部品のうちいずれか一つを含むか、または
発明の両方の部品を結合することができる。これは模式
的に図１および図２にに示されている。図１は、従来の
非混成ＣＰＡ装置に使われているコンパクトな伸張器２
０とバルク圧縮器４０から構成されている。特に図１に
示したように、例示した装置はパルスＰを発生し、適当
な時間信号をトリガー用電子回路５０に送る発振器１０
を構成している。パルスＰはコンパクトな伸張器２０で
引き伸ばされ、トリガー用電子回路からの信号とともに
光学的増幅器３０に入る。増幅されたパルスＡＰはバル
ク圧縮器４０で圧縮されて、増幅された圧縮パルスＣＰ
となる。
【００１６】図２では、混成ＣＰＡ入射装置の構成が示
されている。これは一般的に小型な入射源１と高エネル
ギーバルク増幅器２から成る。小型な（ファイバー）発
振器５は、伸張器１５によって最初に引き伸ばされ、小
型な（ファイバー）増幅器２５で増幅される信号パルス
を発生する。最初に増幅された信号は光学的な周波数変
換器４５に入り、ここで固体増幅器に適する波長となる
ように周波数が２倍に変換される。そして信号は高エネ
ルギー（固体）増幅器５５に入り、最終的にバルク圧縮
器６５で圧縮される。従来の装置では、トリガー用電子
装置３５は、信号出力が小型増幅器２５と高エネルギー
増幅器５５にも供給される以外は、図１に示したと同様
な方法で使われていただろう。しかし後で示すように、
本発明によれば高エネルギー増幅器５５のスイッチング
動作をするトリガー用電子回路の必要性がなくなるの
で、このような装置はさらに小型でかつ強固に作ること
が出来る。
されている。これは一般的に小型な入射源１と高エネル
ギーバルク増幅器２から成る。小型な（ファイバー）発
振器５は、伸張器１５によって最初に引き伸ばされ、小
型な（ファイバー）増幅器２５で増幅される信号パルス
を発生する。最初に増幅された信号は光学的な周波数変
換器４５に入り、ここで固体増幅器に適する波長となる
ように周波数が２倍に変換される。そして信号は高エネ
ルギー（固体）増幅器５５に入り、最終的にバルク圧縮
器６５で圧縮される。従来の装置では、トリガー用電子
装置３５は、信号出力が小型増幅器２５と高エネルギー
増幅器５５にも供給される以外は、図１に示したと同様
な方法で使われていただろう。しかし後で示すように、
本発明によれば高エネルギー増幅器５５のスイッチング
動作をするトリガー用電子回路の必要性がなくなるの
で、このような装置はさらに小型でかつ強固に作ること
が出来る。
【００１７】
【００１８】本発明の特徴とそれによりもたらされる利
益とは、以下の実施例等によって明らかにする。
益とは、以下の実施例等によって明らかにする。
【００１９】
［１］ＧＶＤ誤整合を補償するための配列
伸張器と圧縮器との間のＧＶＤの大きな誤整合（ミスマ
ッチ）は、非常に異なった配列を結合することにより補
償することができる。したがって、大きさを小さく出
来、伸張に対してコンパクトな配列を使うことにより全
体の強度を大きく出来る。
ッチ）は、非常に異なった配列を結合することにより補
償することができる。したがって、大きさを小さく出
来、伸張に対してコンパクトな配列を使うことにより全
体の強度を大きく出来る。
【００２０】さらに説明すると、伸張器と圧縮器との間
の完全な整合に対する必要条件を数学的に表現すること
が役に立つ。パルスはその振幅と、時間的または空間的
な位相によって完全に特徴付けることができる。パルス
のスペクトルの位相シフトは、中心周波数をω0 とし
て、パルススペクトルについて次のように展開できる。 Φ（ω）＝β0＋β1（ω−ω0） ＋β2（ω−ω0）2＋β3（ω−ω0）3＋・・・ ここで、ω＝２πνは周期の周波数である。この展開に
於いて０次項と第１項を除いた全ての項が零ならば、パ
ルスは、最小で限定されたバンド幅の持続時間を持って
いる。第一、第二、第三および高次の項は、第一、第
二、第三、その他の次数相と呼ばれる。伸張器と圧縮器
のパルスの再形成動作は、項が第２項と高次項から出発
することにより決定される。バンド幅で限定されないパ
ルスの展開における係数β2、β3などはそれぞれ第一、
第二、それ以上の高次の分散の符号と大きさを与える。
これらの係数は伸張器または圧縮器のＧＶＤ特性を表
す。完全に整合した伸張器と圧縮器では、それぞれの次
数の項の分散係数の大きさが同じで、符号が反対である
ことが必要である。この書面に記した発明の背景で述べ
たように、この整合は同じ形式（例えば回折格子を基と
するもの）の伸張器と圧縮器とで構成することにより達
成できる。
の完全な整合に対する必要条件を数学的に表現すること
が役に立つ。パルスはその振幅と、時間的または空間的
な位相によって完全に特徴付けることができる。パルス
のスペクトルの位相シフトは、中心周波数をω0 とし
て、パルススペクトルについて次のように展開できる。 Φ（ω）＝β0＋β1（ω−ω0） ＋β2（ω−ω0）2＋β3（ω−ω0）3＋・・・ ここで、ω＝２πνは周期の周波数である。この展開に
於いて０次項と第１項を除いた全ての項が零ならば、パ
ルスは、最小で限定されたバンド幅の持続時間を持って
いる。第一、第二、第三および高次の項は、第一、第
二、第三、その他の次数相と呼ばれる。伸張器と圧縮器
のパルスの再形成動作は、項が第２項と高次項から出発
することにより決定される。バンド幅で限定されないパ
ルスの展開における係数β2、β3などはそれぞれ第一、
第二、それ以上の高次の分散の符号と大きさを与える。
これらの係数は伸張器または圧縮器のＧＶＤ特性を表
す。完全に整合した伸張器と圧縮器では、それぞれの次
数の項の分散係数の大きさが同じで、符号が反対である
ことが必要である。この書面に記した発明の背景で述べ
たように、この整合は同じ形式（例えば回折格子を基と
するもの）の伸張器と圧縮器とで構成することにより達
成できる。
【００２１】本発明は、ＧＶＤ整合の問題は収差望遠鏡
を参照して説明されている。文献には望遠鏡について述
べられているが、本発明の特徴は、光束を広げたり、縮
めたり、またはその大きさを保ったりするとき、光束の
コリメーションを保つところのレンズ配列にある。従来
のトレーシーとマルチネズの構成をそれぞれ図３（ａ）
〜（ｂ）に示す。これらは、最初に光束を広げる格子７
１があり、次に光束をコリメートする格子７２がある。
これらには、高次項のＧＶＤ項の収差制御をする手段は
含まれていない。W.E.White, F.G.Paterson, R.L.Comb
s, D.F.Price, R.L.Shepherdらが“Compensation of hi
gher-order frequency-dependent phase terms in chir
ped-pulse amplification systems“ Opt. Lett.18,134
3(1993)（Whiteら）で提唱した二重層のマルチネズ形式
の構成と、収差制御をするため、マルチネズ望遠鏡に二
重層７０を使う構成とを図３（ｃ）に示す。この配列で
は光束は回折面で発散する。先に記したようにこの配列
は混成の伸張器／圧縮器の構成のため、非常に限られた
範囲で、しかも不十分な制御しか出来ない。
を参照して説明されている。文献には望遠鏡について述
べられているが、本発明の特徴は、光束を広げたり、縮
めたり、またはその大きさを保ったりするとき、光束の
コリメーションを保つところのレンズ配列にある。従来
のトレーシーとマルチネズの構成をそれぞれ図３（ａ）
〜（ｂ）に示す。これらは、最初に光束を広げる格子７
１があり、次に光束をコリメートする格子７２がある。
これらには、高次項のＧＶＤ項の収差制御をする手段は
含まれていない。W.E.White, F.G.Paterson, R.L.Comb
s, D.F.Price, R.L.Shepherdらが“Compensation of hi
gher-order frequency-dependent phase terms in chir
ped-pulse amplification systems“ Opt. Lett.18,134
3(1993)（Whiteら）で提唱した二重層のマルチネズ形式
の構成と、収差制御をするため、マルチネズ望遠鏡に二
重層７０を使う構成とを図３（ｃ）に示す。この配列で
は光束は回折面で発散する。先に記したようにこの配列
は混成の伸張器／圧縮器の構成のため、非常に限られた
範囲で、しかも不十分な制御しか出来ない。
【００２２】回折格子７５から発散した光束中に置かれ
た色消し二重レンズ７０の収差を利用する代わりに、本
発明では、図３（ｄ）に示すように、コリメートする格
子９０から放射されるコリメートされた光束（コリメー
テッド・ビーム）８５の光路に望遠鏡８０を導入する。
図３（ｂ）および３（ｃ）に示されるマルチネズタイプ
の圧縮器において、望遠鏡８０は発散光を受け入れる既
存の望遠鏡に付加することができる。マルチネズタイプ
とトレーシータイプの構成両方に常に存在しているコリ
メート光は、回折面では空間的に常にチャープである。
下記に示すように、このような構成は Whiteらによって
提唱されたシステムの限界を打破するものであり、より
大きな位相の高次の補正をすることが出来るので、異な
った伸張器と圧縮器との間の大きなＧＶＤ誤整合を十分
に補償できる。この理由は、望遠鏡８０が色消し二重層
７０より大きな収差を与えるように設計できることであ
る。この付加された収差望遠鏡８０は回折格子の配列の
台から分離されているので、システムの他のパラメータ
ーに本質的な影響を与えることなく、大きな３次および
４次相を与えるように設計できる。この構成において
は、望遠鏡は従続することが出来る、あるいは位相制御
の量を必要なレベルまで増やすために他の多重レンズ構
成を使うこともできる。最後に、White らによって提示
されたシステムと対比して、この収差を制御する方法
は、空間的にコリメートされたチャープな光束 −例え
ばプリズム圧縮器における− が通る任意のタイプの分
散遅延線に使うことができる（以下の例参照）。
た色消し二重レンズ７０の収差を利用する代わりに、本
発明では、図３（ｄ）に示すように、コリメートする格
子９０から放射されるコリメートされた光束（コリメー
テッド・ビーム）８５の光路に望遠鏡８０を導入する。
図３（ｂ）および３（ｃ）に示されるマルチネズタイプ
の圧縮器において、望遠鏡８０は発散光を受け入れる既
存の望遠鏡に付加することができる。マルチネズタイプ
とトレーシータイプの構成両方に常に存在しているコリ
メート光は、回折面では空間的に常にチャープである。
下記に示すように、このような構成は Whiteらによって
提唱されたシステムの限界を打破するものであり、より
大きな位相の高次の補正をすることが出来るので、異な
った伸張器と圧縮器との間の大きなＧＶＤ誤整合を十分
に補償できる。この理由は、望遠鏡８０が色消し二重層
７０より大きな収差を与えるように設計できることであ
る。この付加された収差望遠鏡８０は回折格子の配列の
台から分離されているので、システムの他のパラメータ
ーに本質的な影響を与えることなく、大きな３次および
４次相を与えるように設計できる。この構成において
は、望遠鏡は従続することが出来る、あるいは位相制御
の量を必要なレベルまで増やすために他の多重レンズ構
成を使うこともできる。最後に、White らによって提示
されたシステムと対比して、この収差を制御する方法
は、空間的にコリメートされたチャープな光束 −例え
ばプリズム圧縮器における− が通る任意のタイプの分
散遅延線に使うことができる（以下の例参照）。
【００２３】本発明の見地にしたがって、収差望遠鏡を
使うことにより超短パルスの位相を制御する原理を図４
（ａ）〜（ｃ）に示す。コリメートされた光束は望遠鏡
配列８３を通り、出射光もまたコリメートされる。レン
ズ７３と９３の表面は球面であるため、望遠鏡８３の通
過光束の波面は、図４（ａ）〜（ｂ）に示すように、Δ
Φだけ変形する。ΔΦは乱された収差と理想的な乱され
ていない波面（収差により加えられる位相差に等しい）
の間の光路差に等しい。Seidelの近似（M.Bornand E.Wo
lf, Principles of Optics, Pergamon Press, Oxford、
1975,chps. 5and 9 ）では、この変形は五つの一次の収
差 −表１に示す− のための変形の重畳として表すこと
ができる。入射光は伝播方向に垂直な両方向に収束（コ
リメート）されているので、二次元の場合を考えれば十
分である。表１で、ρは空間的なチャープ波の面で測ら
れた光束の中心からの光路長である。Seidelの収差の完
全な記述は、例えば、M.Born and E.Wolf, Principles
of Optics, Pergamon Press,Oxford, 1975, chps. 5 an
d 9 に見ることができる。
使うことにより超短パルスの位相を制御する原理を図４
（ａ）〜（ｃ）に示す。コリメートされた光束は望遠鏡
配列８３を通り、出射光もまたコリメートされる。レン
ズ７３と９３の表面は球面であるため、望遠鏡８３の通
過光束の波面は、図４（ａ）〜（ｂ）に示すように、Δ
Φだけ変形する。ΔΦは乱された収差と理想的な乱され
ていない波面（収差により加えられる位相差に等しい）
の間の光路差に等しい。Seidelの近似（M.Bornand E.Wo
lf, Principles of Optics, Pergamon Press, Oxford、
1975,chps. 5and 9 ）では、この変形は五つの一次の収
差 −表１に示す− のための変形の重畳として表すこと
ができる。入射光は伝播方向に垂直な両方向に収束（コ
リメート）されているので、二次元の場合を考えれば十
分である。表１で、ρは空間的なチャープ波の面で測ら
れた光束の中心からの光路長である。Seidelの収差の完
全な記述は、例えば、M.Born and E.Wolf, Principles
of Optics, Pergamon Press,Oxford, 1975, chps. 5 an
d 9 に見ることができる。
【００２４】このような望遠鏡が、空間的にチャープで
コリメートされた光束内に置かれたとき、この波面の乱
れはスペクトルの位相変形に移る。これは、例えば、回
折格子圧縮器内部のコリメートされた空間的なチャープ
光束内に、望遠鏡を置くことにより達成できる。回折格
子圧縮器では（ω−ω0 ）∝ ρ である。回折格子配列
について再度述べると、光束は一次元（回折面）でのみ
空間的にチャープである。このような圧縮器で圧縮され
たあと、パルスのスペクトルの位相は、五つの一次の収
差のそれぞれにしたがって付加的な位相成分を得る（表
1を見よ）。
コリメートされた光束内に置かれたとき、この波面の乱
れはスペクトルの位相変形に移る。これは、例えば、回
折格子圧縮器内部のコリメートされた空間的なチャープ
光束内に、望遠鏡を置くことにより達成できる。回折格
子圧縮器では（ω−ω0 ）∝ ρ である。回折格子配列
について再度述べると、光束は一次元（回折面）でのみ
空間的にチャープである。このような圧縮器で圧縮され
たあと、パルスのスペクトルの位相は、五つの一次の収
差のそれぞれにしたがって付加的な位相成分を得る（表
1を見よ）。
【００２５】
【表１】
この表によれば、球面収差は付加的な４次相の増加をも
たらし、こま収差は３次相の増加を、場の曲度による非
点収差は２次の位相項の増加をもたらす。歪みは一次の
効果で、パルスの付加的で一時的な遅れにのみ寄与し、
パルスの幅には影響しない。実用的な観点からすれば、
圧縮された２次相は圧縮器（または伸張器）の長さを変
えることにより容易に調節できるので、４次相と３次相
のみの収差の制御が重要である。
たらし、こま収差は３次相の増加を、場の曲度による非
点収差は２次の位相項の増加をもたらす。歪みは一次の
効果で、パルスの付加的で一時的な遅れにのみ寄与し、
パルスの幅には影響しない。実用的な観点からすれば、
圧縮された２次相は圧縮器（または伸張器）の長さを変
えることにより容易に調節できるので、４次相と３次相
のみの収差の制御が重要である。
【００２６】若し空間的にチャープな光束が非線形なチ
ャープであれば、より高次の項が現れる。例えば、空間
のチャープ光を２次にすることにより、一次の収差のそ
れぞれに対応した位相の補正項はその次数を一つ増す。
だから、役に立つ最も高次の補正項は５次であろう。回
折格子配列において、非線形の空間的なチャープ光は線
形光より小さく、その影響は無視できる。それ故、実際
は４次項以上に位相を制御することは容易である。この
ことは、限定されたパルスの変換をするに際して、大抵
の場合に十分なことである。
ャープであれば、より高次の項が現れる。例えば、空間
のチャープ光を２次にすることにより、一次の収差のそ
れぞれに対応した位相の補正項はその次数を一つ増す。
だから、役に立つ最も高次の補正項は５次であろう。回
折格子配列において、非線形の空間的なチャープ光は線
形光より小さく、その影響は無視できる。それ故、実際
は４次項以上に位相を制御することは容易である。この
ことは、限定されたパルスの変換をするに際して、大抵
の場合に十分なことである。
【００２７】本発明のシステムに使われる望遠鏡の形式
は任意であるが、波等面の歪みに逆符号を与えるよう、
正レンズと負レンズ（凹と凸）とから成るものが好まし
い。その一例は、図４（ｃ）に示すガリレイ望遠鏡であ
る。凹レンズおよび凸レンズを持つ望遠鏡の故に、合成
収差が正また負のΔφを与えるように設計することがで
きる。それぞれのレンズによる位相の歪み量はレンズの
大きさ（あるいは周縁光線に対するより低いｆナンバ
ー）とともに増加する。３次項の補正項を与えるコマ収
差は、光束がある角度（伝播軸と外れた）で入射すると
きのみ存在する。望遠鏡を入射コリメート光（空間的な
チャープ光と同じ面）に関して回転することにより、３
次の位相補正を正、０、負に選ぶことができる。球面収
差は、光束が軸上にあるか軸から外れているかには依存
しない。４次相を制御する方法は、空間なチャープ光の
大きさを制御することと、凹レンズおよび凸レンズの適
当な組み合わせを選択することとである。この制御は、
球面歪みの４次項が光束の大きさに依存するために、非
常に有効である。
は任意であるが、波等面の歪みに逆符号を与えるよう、
正レンズと負レンズ（凹と凸）とから成るものが好まし
い。その一例は、図４（ｃ）に示すガリレイ望遠鏡であ
る。凹レンズおよび凸レンズを持つ望遠鏡の故に、合成
収差が正また負のΔφを与えるように設計することがで
きる。それぞれのレンズによる位相の歪み量はレンズの
大きさ（あるいは周縁光線に対するより低いｆナンバ
ー）とともに増加する。３次項の補正項を与えるコマ収
差は、光束がある角度（伝播軸と外れた）で入射すると
きのみ存在する。望遠鏡を入射コリメート光（空間的な
チャープ光と同じ面）に関して回転することにより、３
次の位相補正を正、０、負に選ぶことができる。球面収
差は、光束が軸上にあるか軸から外れているかには依存
しない。４次相を制御する方法は、空間なチャープ光の
大きさを制御することと、凹レンズおよび凸レンズの適
当な組み合わせを選択することとである。この制御は、
球面歪みの４次項が光束の大きさに依存するために、非
常に有効である。
【００２８】レンズシステムに関して、システムを設計
するときに色消し収差も考慮すべきである。色消し収差
は超短パルスの３次相の歪みに寄与し、光束の大きさに
は依存しない。しかし発明者らが光線追跡した結果、本
発明による実験装置においては、コマ収差で誘起される
３次の量に比較して、つや消し収差による付加的３次相
は無視でき、容易に補償されることが示された。
するときに色消し収差も考慮すべきである。色消し収差
は超短パルスの３次相の歪みに寄与し、光束の大きさに
は依存しない。しかし発明者らが光線追跡した結果、本
発明による実験装置においては、コマ収差で誘起される
３次の量に比較して、つや消し収差による付加的３次相
は無視でき、容易に補償されることが示された。
【００２９】それ故、適当なレンズ、倍増因子、望遠鏡
中を伝播する角度、空間的にチャープな光束の大きさ、
および光束の空間的な部分の形態を選択することによ
り、任意の次数に対し必要とする位相の歪みの量と符号
を伴うシステムを設計することが出来る。もし、多量の
位相歪みを得なければならないならば、数個の望遠鏡を
従続することが出来る。数個の従続された望遠鏡によ
り、空間的なチャープな光束を拡大でき、収差の効果を
増すことができる。同様に、収差を増すためにレンズの
焦点距離を縮めることができる。例えば、図５（ａ）の
二つの望遠鏡１４と２４は光束を広げ、（若しあれば）
４次と５次項を大きくするために従続されている。一
方、図５（ｂ）の望遠鏡３４と４４は光束の大きさを保
存するように従続されている。図５（ｂ）の配列は整列
させることが容易で、強固にできることが有利である。
しかし、実用上の限界はレンズ系できまる最小値であ
る。
中を伝播する角度、空間的にチャープな光束の大きさ、
および光束の空間的な部分の形態を選択することによ
り、任意の次数に対し必要とする位相の歪みの量と符号
を伴うシステムを設計することが出来る。もし、多量の
位相歪みを得なければならないならば、数個の望遠鏡を
従続することが出来る。数個の従続された望遠鏡によ
り、空間的なチャープな光束を拡大でき、収差の効果を
増すことができる。同様に、収差を増すためにレンズの
焦点距離を縮めることができる。例えば、図５（ａ）の
二つの望遠鏡１４と２４は光束を広げ、（若しあれば）
４次と５次項を大きくするために従続されている。一
方、図５（ｂ）の望遠鏡３４と４４は光束の大きさを保
存するように従続されている。図５（ｂ）の配列は整列
させることが容易で、強固にできることが有利である。
しかし、実用上の限界はレンズ系できまる最小値であ
る。
【００３０】特殊な収差望遠鏡によって誘起される異な
ったＧＶＤ項の大きさは、球面収差Ａ０４０とこま収差
Ａ０３１とに対するＧＶＤ項のSiedel係数を使って以下
の数１により計算できる（ M.Born and E.Wolf, Princi
ples of Optics, Pergamon Press,Oxford, 1975, chps.
5 and 9）。
ったＧＶＤ項の大きさは、球面収差Ａ０４０とこま収差
Ａ０３１とに対するＧＶＤ項のSiedel係数を使って以下
の数１により計算できる（ M.Born and E.Wolf, Princi
ples of Optics, Pergamon Press,Oxford, 1975, chps.
5 and 9）。
【００３１】
【数１】
【００３２】ここで（ω−ω0 ）は、光束上の周波数の
広がりである。本発明の種々の実施例 −これには望遠
鏡がパルス伸張器と圧縮器の配列に挿入されている −
は図６〜図１０に示されている。望遠鏡は、回折格子、
プリズムまたは任意の他の部品とともに使うことができ
る。望遠鏡は、超短な光パルスのために空間的にチャー
プな光束を生み出す。明らかに回折部品は、反射（反射
回折格子、鏡など）か透過（透過性格子など）かの部品
である。更に、透過により光を分散させる部品（例えば
プリズム）も使うことができる。図６は、回折格子圧縮
器５００と反射器５２０との間に望遠鏡５１０が挿入さ
れた実施例である。図６の圧縮器５００は、逆分散反射
回折格子の配列から構成されているものである。一方、
図７では望遠鏡５１０ｂは、正拡散の回折格子圧縮器と
ともに使われている。その望遠鏡は、格子５１５と反射
器５２０ｂとの間に挿入されている。零分散の配列は、
図８に例示されている。図８に例示されている構成で
は、回折格子の後の光束は回折面でのみ発散し、垂直面
には平行であるから、望遠鏡レンズ５１１、５１２ある
いはコリメーションレンズ５１３のうちのいずれかは円
柱である。
広がりである。本発明の種々の実施例 −これには望遠
鏡がパルス伸張器と圧縮器の配列に挿入されている −
は図６〜図１０に示されている。望遠鏡は、回折格子、
プリズムまたは任意の他の部品とともに使うことができ
る。望遠鏡は、超短な光パルスのために空間的にチャー
プな光束を生み出す。明らかに回折部品は、反射（反射
回折格子、鏡など）か透過（透過性格子など）かの部品
である。更に、透過により光を分散させる部品（例えば
プリズム）も使うことができる。図６は、回折格子圧縮
器５００と反射器５２０との間に望遠鏡５１０が挿入さ
れた実施例である。図６の圧縮器５００は、逆分散反射
回折格子の配列から構成されているものである。一方、
図７では望遠鏡５１０ｂは、正拡散の回折格子圧縮器と
ともに使われている。その望遠鏡は、格子５１５と反射
器５２０ｂとの間に挿入されている。零分散の配列は、
図８に例示されている。図８に例示されている構成で
は、回折格子の後の光束は回折面でのみ発散し、垂直面
には平行であるから、望遠鏡レンズ５１１、５１２ある
いはコリメーションレンズ５１３のうちのいずれかは円
柱である。
【００３３】図９は、同様な性能を持つ構成が透過型回
折格子で得られることを示す。透過型格子をもつ配列の
有利さは、反射型格子配列より更にコンパクトに出来る
ことである。図９に示される特殊な例では、望遠鏡５１
０ｄは透過型回折格子５１６ｄと反射器５２０ｄとの間
に挿入されている。この配列は、図６に示されるものと
等価にすることができる。透過型回折格子は、図７およ
び図８に示される配列と等価な配列とするために用いる
ことができる。
折格子で得られることを示す。透過型格子をもつ配列の
有利さは、反射型格子配列より更にコンパクトに出来る
ことである。図９に示される特殊な例では、望遠鏡５１
０ｄは透過型回折格子５１６ｄと反射器５２０ｄとの間
に挿入されている。この配列は、図６に示されるものと
等価にすることができる。透過型回折格子は、図７およ
び図８に示される配列と等価な配列とするために用いる
ことができる。
【００３４】図１０は、分散部品としてプリズムを使っ
た例である。ここで示した特殊例では、空間的にチャー
プな光は非線形であるので、４次項以上の高次項を制御
できる。図６および図９の例と同様な方法で、図１０に
おいて望遠鏡５１０ｅは、プリズム５１６ｅと反射器５
２０ｅとの間に挿入されている。勿論、他の配列は、当
業者には明らかである。
た例である。ここで示した特殊例では、空間的にチャー
プな光は非線形であるので、４次項以上の高次項を制御
できる。図６および図９の例と同様な方法で、図１０に
おいて望遠鏡５１０ｅは、プリズム５１６ｅと反射器５
２０ｅとの間に挿入されている。勿論、他の配列は、当
業者には明らかである。
【００３５】図６〜図１０の実施例においては、レンズ
群がつかわれるが、同等のシステムではレンズ群を球面
鏡で置き換える設計も可能である。さらに球面光学系は
一次のSiedel収差の量、したがって相の次数の大きさ、
を変換する球面部品で置き換えることができる。これに
よって色々な設計をする場合に自由度が生まれる。この
発明で提唱している、分散を制御する装置構成を利用す
る場合の利点は、図１１〜図１８に例示するＣＰＡ配列
によって明らかになる。本発明によれば、二次、三次、
四次相の任意の大きさに寄与するシステムでは、伸張器
／圧縮器デバイスの種々のタイプの結合で、高い非線形
の周波数のチャープ光（例えば、レーザーダイオード
の、または自己位相伸張パルスの）を補償できる。逆
に、従来の回折格子デバイスでは異なった分散次数間の
比は一定で、伸張器／圧縮器対に適合したマルチネズ-
トレーシータイプの分散に対して可能である配列も限定
されたものになる。図１１〜図１５は、コンパクトなフ
ァイバーとファイバー格子を使ったパルス伸張器、ある
いＣＰＡの入力におけるチャープな光パルス源として整
調可能なレーザーダイオードを使うことにより、ＣＰＡ
システムのコンパクトの程度がより良くなる事を示した
ものである。従来の圧縮器は増幅段のあとでパルスを圧
縮するために使われる。コンパクトなデバイス（ファイ
バーおよびレーザーダイオード）とマルチネズ-トレー
シータイプの圧縮器との間の互換性は、本発明による望
遠鏡を使うことにより実現できる。
群がつかわれるが、同等のシステムではレンズ群を球面
鏡で置き換える設計も可能である。さらに球面光学系は
一次のSiedel収差の量、したがって相の次数の大きさ、
を変換する球面部品で置き換えることができる。これに
よって色々な設計をする場合に自由度が生まれる。この
発明で提唱している、分散を制御する装置構成を利用す
る場合の利点は、図１１〜図１８に例示するＣＰＡ配列
によって明らかになる。本発明によれば、二次、三次、
四次相の任意の大きさに寄与するシステムでは、伸張器
／圧縮器デバイスの種々のタイプの結合で、高い非線形
の周波数のチャープ光（例えば、レーザーダイオード
の、または自己位相伸張パルスの）を補償できる。逆
に、従来の回折格子デバイスでは異なった分散次数間の
比は一定で、伸張器／圧縮器対に適合したマルチネズ-
トレーシータイプの分散に対して可能である配列も限定
されたものになる。図１１〜図１５は、コンパクトなフ
ァイバーとファイバー格子を使ったパルス伸張器、ある
いＣＰＡの入力におけるチャープな光パルス源として整
調可能なレーザーダイオードを使うことにより、ＣＰＡ
システムのコンパクトの程度がより良くなる事を示した
ものである。従来の圧縮器は増幅段のあとでパルスを圧
縮するために使われる。コンパクトなデバイス（ファイ
バーおよびレーザーダイオード）とマルチネズ-トレー
シータイプの圧縮器との間の互換性は、本発明による望
遠鏡を使うことにより実現できる。
【００３６】例えば、図１１の構成で、チャープファイ
バー格子６００は、伸張器として使われている。伸張さ
れたパルスは、光学的増幅器６３０ａに加えられ、その
あと透過鏡６３５ａを透過して圧縮器６０５ａに入る。
特殊な例として示されている圧縮器には、二つの反射性
回折格子６１５ａおよび６１６ａが使われている。しか
し、図６〜図１０について、上に述べたように、他の配
列と光学部品を用いることができる。本発明では、伸張
器と圧縮器との間の大きなＧＶＤ誤整合を補償するため
に、望遠鏡６１０ａが格子６１６ａと反射器６２０ａと
の間の光路に挿入されている。
バー格子６００は、伸張器として使われている。伸張さ
れたパルスは、光学的増幅器６３０ａに加えられ、その
あと透過鏡６３５ａを透過して圧縮器６０５ａに入る。
特殊な例として示されている圧縮器には、二つの反射性
回折格子６１５ａおよび６１６ａが使われている。しか
し、図６〜図１０について、上に述べたように、他の配
列と光学部品を用いることができる。本発明では、伸張
器と圧縮器との間の大きなＧＶＤ誤整合を補償するため
に、望遠鏡６１０ａが格子６１６ａと反射器６２０ａと
の間の光路に挿入されている。
【００３７】図１１に例示するシステムでは、ナノ秒に
伸張されたパルスに対するファイバー格子伸張器６００
（長さ〜１０ｃｍ）大きさが、従来の典型的なマルチネ
ズタイプの伸張器に比べ無視できる大きさであるので技
術的に優れている。かくして、システムの全体の大きさ
は本発明によって縮小することができる。同様な改善は
単一モードファイバーを使うことにより達成できる。図
１２に例示した構成では、透過線中に正の分散ファイバ
ー６００ｂが使われている。別の方法の基本的なシステ
ムの例（図１３参照）は、ファラデー回転鏡６０１ｃが
ファイバー伸張器の光路を二重にしファイバーの弱い複
屈折の影響を消すために、その先端に置かれていること
を除けば、図１１に示されているものと同じである。
伸張されたパルスに対するファイバー格子伸張器６００
（長さ〜１０ｃｍ）大きさが、従来の典型的なマルチネ
ズタイプの伸張器に比べ無視できる大きさであるので技
術的に優れている。かくして、システムの全体の大きさ
は本発明によって縮小することができる。同様な改善は
単一モードファイバーを使うことにより達成できる。図
１２に例示した構成では、透過線中に正の分散ファイバ
ー６００ｂが使われている。別の方法の基本的なシステ
ムの例（図１３参照）は、ファラデー回転鏡６０１ｃが
ファイバー伸張器の光路を二重にしファイバーの弱い複
屈折の影響を消すために、その先端に置かれていること
を除けば、図１１に示されているものと同じである。
【００３８】図１４は、光源として波長可変レーザーダ
イオード６４０ｄを使った例である。このようなダイオ
ードで得られる圧縮パルスの時間幅は、標準的な回折格
子で補償できるより大きい高次のチャープ成分のために
限定される（A,Galvanauskas, M.E.Fermann, P.Blixt,
J.A.Tellefsen,D.Harter,“Hybrid diode-laser fiber-
amplifier source of high-energy ultrashort puls
e,”Opt. Lett 19,1043（1994））。本発明に基づいて
設計された圧縮器を持つ実験システムは、この大きな高
次のチャープ光を補償することが示されている。図１４
に示されているシステムの基本構造は、光源としてダイ
オード６４０ｄを使っていることを除いて、図１１〜図
１３に示されているものと同じである。
イオード６４０ｄを使った例である。このようなダイオ
ードで得られる圧縮パルスの時間幅は、標準的な回折格
子で補償できるより大きい高次のチャープ成分のために
限定される（A,Galvanauskas, M.E.Fermann, P.Blixt,
J.A.Tellefsen,D.Harter,“Hybrid diode-laser fiber-
amplifier source of high-energy ultrashort puls
e,”Opt. Lett 19,1043（1994））。本発明に基づいて
設計された圧縮器を持つ実験システムは、この大きな高
次のチャープ光を補償することが示されている。図１４
に示されているシステムの基本構造は、光源としてダイ
オード６４０ｄを使っていることを除いて、図１１〜図
１３に示されているものと同じである。
【００３９】図１５は、混成方式の構成を例示したもの
である。パルスは、ファイバー格子６００ｅで伸張さ
れ、光学的増幅器６３０ｅに入力される。そのあと増幅
されたパルスは、部分的にファイバー格子６５０ｅで圧
縮される。最終的な圧縮は、バルク圧縮器６０５ｅで行
われる。これには、図６〜図１０に示したような回折格
子またはプリズムのいずれかを使うことができる。本発
明による望遠鏡６１０ｅを使う分散制御では、二つのフ
ァイバー格子間の何らかの分散誤整合とファイバー格子
とバルク圧縮器との間の誤整合との両方を補償するバル
ク圧縮器が必要である。
である。パルスは、ファイバー格子６００ｅで伸張さ
れ、光学的増幅器６３０ｅに入力される。そのあと増幅
されたパルスは、部分的にファイバー格子６５０ｅで圧
縮される。最終的な圧縮は、バルク圧縮器６０５ｅで行
われる。これには、図６〜図１０に示したような回折格
子またはプリズムのいずれかを使うことができる。本発
明による望遠鏡６１０ｅを使う分散制御では、二つのフ
ァイバー格子間の何らかの分散誤整合とファイバー格子
とバルク圧縮器との間の誤整合との両方を補償するバル
ク圧縮器が必要である。
【００４０】この配列の利点は、非常に小型で高エネル
ギーが出せることである。バルク圧縮器の大きさは、入
力パルスの時間幅に比例する。そして最終圧縮の前に数
ピコ秒のパルスを得るために、二つのファイバー格子を
選ぶことができる。ファイバー格子の出力部でパルスが
高いピーク出力にならないようにすることにより、ファ
イバーの非線形効果によるパルス歪みを生ずることな
く、より高いパルスエネルギーにすることができる。
ギーが出せることである。バルク圧縮器の大きさは、入
力パルスの時間幅に比例する。そして最終圧縮の前に数
ピコ秒のパルスを得るために、二つのファイバー格子を
選ぶことができる。ファイバー格子の出力部でパルスが
高いピーク出力にならないようにすることにより、ファ
イバーの非線形効果によるパルス歪みを生ずることな
く、より高いパルスエネルギーにすることができる。
【００４１】図１６は、光学的ファイバーにおいて、自
己位相変調によりスペクトル的に伸張された光学パルス
の例である。一般的な技術がしばしば初期パルスの持続
時間を実質的に短くするために使われる。しかし、多く
の条件での自己位相変調は、非線形な周波数のチャープ
パルスを生み出す。これは従来の圧縮器で補償すること
は出来ない。図１６に示すように、伝播パルスは、自己
変調ファイバー６００ｆで伸張される。それ故、伸張さ
れたパルスは、望遠鏡６１０ｆを含む圧縮器６０５ｆに
印加される。かくして、本発明によるシステムでは、自
己位相変調により生み出される任意の非線形性を修正す
ることができる。
己位相変調によりスペクトル的に伸張された光学パルス
の例である。一般的な技術がしばしば初期パルスの持続
時間を実質的に短くするために使われる。しかし、多く
の条件での自己位相変調は、非線形な周波数のチャープ
パルスを生み出す。これは従来の圧縮器で補償すること
は出来ない。図１６に示すように、伝播パルスは、自己
変調ファイバー６００ｆで伸張される。それ故、伸張さ
れたパルスは、望遠鏡６１０ｆを含む圧縮器６０５ｆに
印加される。かくして、本発明によるシステムでは、自
己位相変調により生み出される任意の非線形性を修正す
ることができる。
【００４２】図１７は従来の非混成の伸張器／圧縮器構
成に付加的に利用される収差制御の例である。従来のマ
ルチネズ／トレーシーＣＰＡ構成において、分散項を整
合させるためには、伸張器のレンズ群の収差の影響を除
くことが難しい。レンズ群の収差は、通常、再圧縮され
たパルスの持続時間を制限している。歪みによって誘起
される付加的な収差は、より長い波長では有害である。
光跡を追跡することにより解析した結果、波等面収差が
同じであっても、〜１５５０ｎｍの伸張器におけるよう
なパルスの位相の乱れは、８００ｎｍの波長帯に比較し
て一桁ほど大きいことが明らかになった。本発明の方法
を使うことにより、この位相の乱れは除くことができ
る。
成に付加的に利用される収差制御の例である。従来のマ
ルチネズ／トレーシーＣＰＡ構成において、分散項を整
合させるためには、伸張器のレンズ群の収差の影響を除
くことが難しい。レンズ群の収差は、通常、再圧縮され
たパルスの持続時間を制限している。歪みによって誘起
される付加的な収差は、より長い波長では有害である。
光跡を追跡することにより解析した結果、波等面収差が
同じであっても、〜１５５０ｎｍの伸張器におけるよう
なパルスの位相の乱れは、８００ｎｍの波長帯に比較し
て一桁ほど大きいことが明らかになった。本発明の方法
を使うことにより、この位相の乱れは除くことができ
る。
【００４３】図１７に示す実施例の更なる利点は、増幅
段に原因する分散に関係している。すなわち、増幅材料
と部品における分散は、伸張器と圧縮器の格子分離にわ
ずかな誤整合が必要である。このことにより付加的な線
形ＧＶＤを補償できるが、全ての高次項のＧＶＤの誤整
合を生む。従来の配列における小さな誤整合に対して、
格子を或る誤整合角度と距離に設定することにより、高
次のＧＶＤ項を補償することが可能である。上記のよう
な、非常に複雑で、大きさも限定されることとは別に、
この方法は、結局リトローの角から外れて回折格子を動
作させることになる。よく知られているように、リトロ
ー角において、回折の効率はもっとも高く、圧縮器にお
けるパルスエネルギーの損失は最小になる。しかし、本
発明による望遠鏡を使うことにより、ＧＶＤの高次項の
より良い制御ができ、効率も高めることが出来る。
段に原因する分散に関係している。すなわち、増幅材料
と部品における分散は、伸張器と圧縮器の格子分離にわ
ずかな誤整合が必要である。このことにより付加的な線
形ＧＶＤを補償できるが、全ての高次項のＧＶＤの誤整
合を生む。従来の配列における小さな誤整合に対して、
格子を或る誤整合角度と距離に設定することにより、高
次のＧＶＤ項を補償することが可能である。上記のよう
な、非常に複雑で、大きさも限定されることとは別に、
この方法は、結局リトローの角から外れて回折格子を動
作させることになる。よく知られているように、リトロ
ー角において、回折の効率はもっとも高く、圧縮器にお
けるパルスエネルギーの損失は最小になる。しかし、本
発明による望遠鏡を使うことにより、ＧＶＤの高次項の
より良い制御ができ、効率も高めることが出来る。
【００４４】図１７に示すように、パルスは最初、回折
格子６１６ｇと反射器６２０ｇとの間に挿入された望遠
鏡６１０ｇを持つ、マルチネズタイプの格子で伸張され
る。伸張されたパルスは増幅器６３０ｇにより増幅さ
れ、その後、従来のトレーシータイプの圧縮器６０５ｇ
で圧縮される。本発明によって明らかにされたように、
望遠鏡６１０ｇを使うことによって伸張器のレンズ収差
による位相の歪みを除くことができる。
格子６１６ｇと反射器６２０ｇとの間に挿入された望遠
鏡６１０ｇを持つ、マルチネズタイプの格子で伸張され
る。伸張されたパルスは増幅器６３０ｇにより増幅さ
れ、その後、従来のトレーシータイプの圧縮器６０５ｇ
で圧縮される。本発明によって明らかにされたように、
望遠鏡６１０ｇを使うことによって伸張器のレンズ収差
による位相の歪みを除くことができる。
【００４５】図１３〜図１５に示される構成は、非常に
小さな線形ＧＶＤをもつように配列できる。このことは
非常に有用である。例えば、非線形の位相補償をする配
列が、最終の圧縮配列における付加的な要素を避けるた
めに、異なった増幅段の間に挿入された場合である。こ
のシステムの例は、図１８に図示されている。この図
は、パルスがファイバー格子伸張器６００ｈで伸張さ
れ、任意の光学的増幅器６３０ｈによって増幅され、非
線形ＧＶＤ補償器６７０ｈで補償され、さらに光学的増
幅器６３３ｈで増幅され、最後に圧縮器６０５ｈで圧縮
されることを示したものである。この例では、本発明の
望遠鏡６１０ｈは圧縮器６０５ｈというよりむしろ補償
器６１０ｈに挿入されている。
小さな線形ＧＶＤをもつように配列できる。このことは
非常に有用である。例えば、非線形の位相補償をする配
列が、最終の圧縮配列における付加的な要素を避けるた
めに、異なった増幅段の間に挿入された場合である。こ
のシステムの例は、図１８に図示されている。この図
は、パルスがファイバー格子伸張器６００ｈで伸張さ
れ、任意の光学的増幅器６３０ｈによって増幅され、非
線形ＧＶＤ補償器６７０ｈで補償され、さらに光学的増
幅器６３３ｈで増幅され、最後に圧縮器６０５ｈで圧縮
されることを示したものである。この例では、本発明の
望遠鏡６１０ｈは圧縮器６０５ｈというよりむしろ補償
器６１０ｈに挿入されている。
【００４６】理想的には、このような付加的な補償配列
の線形ＧＶＤは無視できるほど小さく、非線形ＧＶＤは
大きい。大きな線形ＧＶＤは、最終段の圧縮器６０５ｈ
でのみ補償されるべきである。特別な場合、この補償器
は従来のトレーシータイプの圧縮器である。この構成の
一つの利点は、最終の圧縮器６０５ｈにおける光束の質
は、単一モードファイバー増幅器の出力モードが入力条
件とは独立である限り、非線形ＧＶＤ補償器による収差
の大きさによって影響されないことである。従来の回折
格子またはプリズムによるパルス圧縮器では、４次項の
制御は極めて困難であるのに対して、本発明の特徴は、
球面収差による４次相の補償ができることであると特記
できる。４次項の補償は、１００ｆｓより短い再圧縮パ
ルスを得るためには基本的な事柄である。かくして、本
発明によれば、１００ｆｓまたはそれ以上短いパルスを
得ることができる強固なシステムを構築することが出来
る。
の線形ＧＶＤは無視できるほど小さく、非線形ＧＶＤは
大きい。大きな線形ＧＶＤは、最終段の圧縮器６０５ｈ
でのみ補償されるべきである。特別な場合、この補償器
は従来のトレーシータイプの圧縮器である。この構成の
一つの利点は、最終の圧縮器６０５ｈにおける光束の質
は、単一モードファイバー増幅器の出力モードが入力条
件とは独立である限り、非線形ＧＶＤ補償器による収差
の大きさによって影響されないことである。従来の回折
格子またはプリズムによるパルス圧縮器では、４次項の
制御は極めて困難であるのに対して、本発明の特徴は、
球面収差による４次相の補償ができることであると特記
できる。４次項の補償は、１００ｆｓより短い再圧縮パ
ルスを得るためには基本的な事柄である。かくして、本
発明によれば、１００ｆｓまたはそれ以上短いパルスを
得ることができる強固なシステムを構築することが出来
る。
【００４７】大きなＧＶＤ誤整合を補償する他の方法
を、図１９に示す。ブラッグの構造（すなわちファイバ
ー格子）は、ファイバー（チャープ格子）に沿って非線
形に変化する格子ピッチを持つように設計できる。今、
ファイバーに沿って線形に変化するピッチを持つチャー
プファイバー・ブラッグ格子は、ＣＰＡシステムにおい
て、フェムト秒とピコ秒パルスの伸張と圧縮に用いられ
る（米国特許第５，４９９，１３４号参照）。しかし、
上に述べたように、現在、線形チャープ・ファイバー格
子は、圧縮器としてファイバー格子が使われるシステム
でのみ、伸張器として使うことができる。さもなくば、
若しバルク圧縮器が使われるならば、ＧＶＤを明確に処
置する手段（たとえば本発明の望遠鏡）を含む必要があ
る。
を、図１９に示す。ブラッグの構造（すなわちファイバ
ー格子）は、ファイバー（チャープ格子）に沿って非線
形に変化する格子ピッチを持つように設計できる。今、
ファイバーに沿って線形に変化するピッチを持つチャー
プファイバー・ブラッグ格子は、ＣＰＡシステムにおい
て、フェムト秒とピコ秒パルスの伸張と圧縮に用いられ
る（米国特許第５，４９９，１３４号参照）。しかし、
上に述べたように、現在、線形チャープ・ファイバー格
子は、圧縮器としてファイバー格子が使われるシステム
でのみ、伸張器として使うことができる。さもなくば、
若しバルク圧縮器が使われるならば、ＧＶＤを明確に処
置する手段（たとえば本発明の望遠鏡）を含む必要があ
る。
【００４８】発明の他の見地によれば、コンパクトなフ
ィバー伸張器がバルク圧縮器とともに使われる。バルク
圧縮器では、非線形な位相補正が非線形チャープなファ
イバーブラッグ格子を使うことにより達成できる。この
発明の見地によると、格子の間隔はファイバーに沿った
座標での非線形関数として設計できる。その結果の分散
は、また、対応する非線形項を持つだろう。かくして、
二次、三次、四次項の位相補償に対して、格子間隔は一
次、二次、三次などのチャープパルスの成分である座標
の縦軸においては非線形の関数であるべきである。非線
形の間隔を持つ格子は、例えば、非線形のチャープ位相
のマスク（R.Kashyap, et al. Novel Method of Produc
ing All Fiber Photoconduced Chirped Gratings, Elec
tronicsLetters,9th June 1994,Vol.30,No.12、pp996-99
7を参照）または非相似波等面の技術（K.Sugden, Dissi
milar Wavefront Technique for Linear and Quadratic
Chirps, Conference Proceedings:Photosensitivity an
d Non-linearity in Glass Waveguides; Technical Dig
est Series Vol.22、Paper SUB 12,1995を参照）を使っ
てファイバーに書き込むことができる。位相マスクの書
き込み技術は、座標縦軸に必要な非線形チャープを持つ
ように容易に作ることが出来る点で好ましい。
ィバー伸張器がバルク圧縮器とともに使われる。バルク
圧縮器では、非線形な位相補正が非線形チャープなファ
イバーブラッグ格子を使うことにより達成できる。この
発明の見地によると、格子の間隔はファイバーに沿った
座標での非線形関数として設計できる。その結果の分散
は、また、対応する非線形項を持つだろう。かくして、
二次、三次、四次項の位相補償に対して、格子間隔は一
次、二次、三次などのチャープパルスの成分である座標
の縦軸においては非線形の関数であるべきである。非線
形の間隔を持つ格子は、例えば、非線形のチャープ位相
のマスク（R.Kashyap, et al. Novel Method of Produc
ing All Fiber Photoconduced Chirped Gratings, Elec
tronicsLetters,9th June 1994,Vol.30,No.12、pp996-99
7を参照）または非相似波等面の技術（K.Sugden, Dissi
milar Wavefront Technique for Linear and Quadratic
Chirps, Conference Proceedings:Photosensitivity an
d Non-linearity in Glass Waveguides; Technical Dig
est Series Vol.22、Paper SUB 12,1995を参照）を使っ
てファイバーに書き込むことができる。位相マスクの書
き込み技術は、座標縦軸に必要な非線形チャープを持つ
ように容易に作ることが出来る点で好ましい。
【００４９】一例（図略）のように、ＣＰＡシステム
は、非線形チャープのブラッグ格子伸張器と従来の回折
格子圧縮器７０５（図１９参照）とから成る。ブラッグ
格子の非線形チャープは、従来の圧縮器７０５の分散項
に整合するように設計されている。特に、典型的な回折
格子圧縮器に対するＧＶＤ項はβ2 の絶対値は約５０・
１０-24ｓ2、β3 の絶対値は約５０・１０-36ｓ3、β4
の絶対値は約５０・１０ -51ｓ4であり、これらはブラッ
グ格子の分散の桁と対応させることにより整合させねば
ならない。４次よりも高次の項は、パルスの持続時間が
約１００ｆｓ以上の圧縮されたパルスに対しては重要で
はない。
は、非線形チャープのブラッグ格子伸張器と従来の回折
格子圧縮器７０５（図１９参照）とから成る。ブラッグ
格子の非線形チャープは、従来の圧縮器７０５の分散項
に整合するように設計されている。特に、典型的な回折
格子圧縮器に対するＧＶＤ項はβ2 の絶対値は約５０・
１０-24ｓ2、β3 の絶対値は約５０・１０-36ｓ3、β4
の絶対値は約５０・１０ -51ｓ4であり、これらはブラッ
グ格子の分散の桁と対応させることにより整合させねば
ならない。４次よりも高次の項は、パルスの持続時間が
約１００ｆｓ以上の圧縮されたパルスに対しては重要で
はない。
【００５０】同例では、非線形のチャープ・ファイバー
格子の利用に関して、本発明の見地を例示したものであ
るが、これには特殊な製造技術が用いられるので、得ら
れる精度が実用上の限界となる。伸張されたナノ秒パル
スに対して、格子長さは約１０ｃｍであるべきである。
１５５０ｎｍの中心波長で、約１５ｎｍのパルス幅に対
して、一次のチャープされた格子は、格子に沿って約１
％の格子ピッチの変化が必要である。与えられたバンド
幅を持つ｜β3｜と｜β4｜の上記の値と長い格子とを得
るには、付加的な非線形ピッチ変化が、線形格子の１％
ピッチ変化より１／１０〜１／１００以上小さくなるだ
ろう。これは、現状の技術で達成できる位相マスク技術
では最高の精度である。
格子の利用に関して、本発明の見地を例示したものであ
るが、これには特殊な製造技術が用いられるので、得ら
れる精度が実用上の限界となる。伸張されたナノ秒パル
スに対して、格子長さは約１０ｃｍであるべきである。
１５５０ｎｍの中心波長で、約１５ｎｍのパルス幅に対
して、一次のチャープされた格子は、格子に沿って約１
％の格子ピッチの変化が必要である。与えられたバンド
幅を持つ｜β3｜と｜β4｜の上記の値と長い格子とを得
るには、付加的な非線形ピッチ変化が、線形格子の１％
ピッチ変化より１／１０〜１／１００以上小さくなるだ
ろう。これは、現状の技術で達成できる位相マスク技術
では最高の精度である。
【００５１】したがって、図１９に示す本発明の実施例
を利用することが好ましい。図１９に示すように二つの
ファイバー格子が使われる。線形チャープの格子７１５
が従来のファイバー格子伸張器として使われているが、
一方、非線形チャープの格子７１０は必要な非線形位相
補正ができる。この特殊例では格子７１５は約１０ｃｍ
で、線形のＧＶＤを持っているが、一方、格子７１０は
約１／１０〜１／１００になり、三次および四次の項の
非線形位相の補正がされる。
を利用することが好ましい。図１９に示すように二つの
ファイバー格子が使われる。線形チャープの格子７１５
が従来のファイバー格子伸張器として使われているが、
一方、非線形チャープの格子７１０は必要な非線形位相
補正ができる。この特殊例では格子７１５は約１０ｃｍ
で、線形のＧＶＤを持っているが、一方、格子７１０は
約１／１０〜１／１００になり、三次および四次の項の
非線形位相の補正がされる。
【００５２】格子を１／ｎにし、パルスのバンド幅を固
定した場合、必要な非線形ピッチの変化の大きさはｎ倍
に増える。それ故、上記の｜β3｜と｜β4｜の必要な値
は、１ｃｍの短い格子に対して１ｍｍで満足される。直
列に接続した格子７１０と７１５によるパルスのエネル
ギー損失とは、伸張段階では本質的ではない。何故なら
それは光学的増幅器の付加的利得によって容易に補償さ
れるからである。
定した場合、必要な非線形ピッチの変化の大きさはｎ倍
に増える。それ故、上記の｜β3｜と｜β4｜の必要な値
は、１ｃｍの短い格子に対して１ｍｍで満足される。直
列に接続した格子７１０と７１５によるパルスのエネル
ギー損失とは、伸張段階では本質的ではない。何故なら
それは光学的増幅器の付加的利得によって容易に補償さ
れるからである。
【００５３】
【００５４】
【００５５】
【００５６】
【００５７】現存の入射システムに通常使われているピ
コジュール、ナノジュールのパルスに対して、マイクロ
ジュールの第二調波は固体増幅器をシーディングする能
力にすぐれ、システムのコントラストが著しく改善され
る。第一に、マイクロジュールの入射パルスでは増幅器
に蓄積されたエネルギーをより効率的に引き出すことが
でき、実用的にはＡＳＥバックグランドが除去される。
第二には、伸張された２倍周波数の結果として、再圧縮
パルスの忠実度が増すことが期待できる。通常、光学的
モードを固定した増幅器からの初期パルスは可成り強度
の低い時間的な広がりと嵩上げ部を持っている。これ
は、スペクトル的には、スペクトルの広がり部に局在し
ている。若し、伸張した後のパルスの持続時間がそのパ
ルス幅の限界より大きければ、伸張パルスの形態はその
スペクトルの形態を持った形式を得る。したがって、こ
れらの伸張パルスの周波数を2倍にする（その効率は強
度の２倍に比例する）ことにより、スペクトルの点で
も、時間的にも、効果的に低強度の広がりをすっきりさ
せる。そのあと、すっきりした2倍周波数のパルスを増
幅すると、再圧縮パルスの嵩上げ部はより低くなる。
コジュール、ナノジュールのパルスに対して、マイクロ
ジュールの第二調波は固体増幅器をシーディングする能
力にすぐれ、システムのコントラストが著しく改善され
る。第一に、マイクロジュールの入射パルスでは増幅器
に蓄積されたエネルギーをより効率的に引き出すことが
でき、実用的にはＡＳＥバックグランドが除去される。
第二には、伸張された２倍周波数の結果として、再圧縮
パルスの忠実度が増すことが期待できる。通常、光学的
モードを固定した増幅器からの初期パルスは可成り強度
の低い時間的な広がりと嵩上げ部を持っている。これ
は、スペクトル的には、スペクトルの広がり部に局在し
ている。若し、伸張した後のパルスの持続時間がそのパ
ルス幅の限界より大きければ、伸張パルスの形態はその
スペクトルの形態を持った形式を得る。したがって、こ
れらの伸張パルスの周波数を2倍にする（その効率は強
度の２倍に比例する）ことにより、スペクトルの点で
も、時間的にも、効果的に低強度の広がりをすっきりさ
せる。そのあと、すっきりした2倍周波数のパルスを増
幅すると、再圧縮パルスの嵩上げ部はより低くなる。
【００５８】更に、伸張パルスを2倍の周波数にするこ
とは、ソフトな開口部としての作用をし、スペクトルの
形を滑らかにし、再圧縮パルスの時間的広がり部におけ
るエネルギー量を更に縮めることになる。これは商業的
に生き残れるレーザープラズマ励起Ｘ線源や、他の高強
度レーザーの応用としては重要なことである。これは、
増幅されたパルスを集光することにより、１０19〜１０
20Ｗ／ｃｍ2 の強度が得られるもので、さらにターゲッ
トのイオン化の嵩上げを防ぐために１０10以上のコント
ラストが必要とされるものである。今日、このコントラ
ストの高さは、如何なる低エネルギー入射源でも実現し
ていない。
とは、ソフトな開口部としての作用をし、スペクトルの
形を滑らかにし、再圧縮パルスの時間的広がり部におけ
るエネルギー量を更に縮めることになる。これは商業的
に生き残れるレーザープラズマ励起Ｘ線源や、他の高強
度レーザーの応用としては重要なことである。これは、
増幅されたパルスを集光することにより、１０19〜１０
20Ｗ／ｃｍ2 の強度が得られるもので、さらにターゲッ
トのイオン化の嵩上げを防ぐために１０10以上のコント
ラストが必要とされるものである。今日、このコントラ
ストの高さは、如何なる低エネルギー入射源でも実現し
ていない。
【００５９】再生増幅器の入力においては、ナノジュー
ルのパルスより、むしろマイクロジュールパルスの方
が、増幅されたパルスのスペクトルを制御し易い。第一
に、高エネルギーに増幅するために必要な利得がより小
さくて済むので、高エネルギー増幅器の利得幅を狭くす
る効果は著しく減少する。第二に、高エネルギーの入射
が利用できるので、最終段増幅器における利得幅を狭く
する効果を予め補償するために、予め整形したスペクト
ルを利用することが出来る。第三に、再圧縮後に非常に
短いパルスを得るためには、入射の前にパルスのバンド
幅を広げることが必要で、種々のスペクトルを広げる技
術（例えば、自己位相変調を使う）には高エネルギーが
必要である。
ルのパルスより、むしろマイクロジュールパルスの方
が、増幅されたパルスのスペクトルを制御し易い。第一
に、高エネルギーに増幅するために必要な利得がより小
さくて済むので、高エネルギー増幅器の利得幅を狭くす
る効果は著しく減少する。第二に、高エネルギーの入射
が利用できるので、最終段増幅器における利得幅を狭く
する効果を予め補償するために、予め整形したスペクト
ルを利用することが出来る。第三に、再圧縮後に非常に
短いパルスを得るためには、入射の前にパルスのバンド
幅を広げることが必要で、種々のスペクトルを広げる技
術（例えば、自己位相変調を使う）には高エネルギーが
必要である。
【００６０】［３］本発明の実施例としてのＣＰＡシス
テムの構成例 図２４は、本発明の見地にしたがって伸張パルスの周波
数を二倍にするために、２倍用結晶を使った混成ＣＰＡ
システムの実施例を示したものである。図２４の特殊な
例は、モードを固定したファイバー発振器１００から構
成されており、その光パルスは、上に述べた任意のファ
イバー伸張器の配列に配備されたファイバー伸張器１１
０によって伸張される。この伸張されたパルスは、三段
階ファイバー増幅器１２０で増幅される。
テムの構成例 図２４は、本発明の見地にしたがって伸張パルスの周波
数を二倍にするために、２倍用結晶を使った混成ＣＰＡ
システムの実施例を示したものである。図２４の特殊な
例は、モードを固定したファイバー発振器１００から構
成されており、その光パルスは、上に述べた任意のファ
イバー伸張器の配列に配備されたファイバー伸張器１１
０によって伸張される。この伸張されたパルスは、三段
階ファイバー増幅器１２０で増幅される。
【００６１】上記の本発明の見地に従えば、二倍用結晶
１３０は、増幅器１２０を出た後のパルスの光路に挿入
される。さらに、図２０による分割光学系配列１６５
は、二倍になったパルスを分割（スプリット）するのに
使われ、そして二倍になったパルスは、同期装置１６０
に入力される。図２４の例では、同期装置１６０は、Ｑ
−スイッチに接続され、周波数を２倍にする源となって
いる。
１３０は、増幅器１２０を出た後のパルスの光路に挿入
される。さらに、図２０による分割光学系配列１６５
は、二倍になったパルスを分割（スプリット）するのに
使われ、そして二倍になったパルスは、同期装置１６０
に入力される。図２４の例では、同期装置１６０は、Ｑ
−スイッチに接続され、周波数を２倍にする源となって
いる。
【００６２】しかし、現在、短波長パルスで光導電性高
電圧スイッチをトリガーすることには利点はあるが、こ
れからの材料処理技術の進展により、低い波長のパルス
（例えば１.５μｍ）でトリガーできるスイッチを作り
出すことができるだろう。このようなことになれば、ス
イッチングのために入射源の第２高調波を使う図２４お
よび図２５の実施例は修正されることになる。この修正
は、例えば、分割装置１６５を、増幅器１２０と二倍用
結晶１３０との間に移動することによって達成できる。
別法として、自己スイッチ結晶またはマッハ−ツェンダ
ー・スイッチのような既知の部品を使うことにより、周
波数変換後に基本波を取り出すことができる。かくし
て、Ｑ−スイッチ再生増幅器１４０に示されるように、
増幅器１４０に電子−光スイッチが配備されている。
電圧スイッチをトリガーすることには利点はあるが、こ
れからの材料処理技術の進展により、低い波長のパルス
（例えば１.５μｍ）でトリガーできるスイッチを作り
出すことができるだろう。このようなことになれば、ス
イッチングのために入射源の第２高調波を使う図２４お
よび図２５の実施例は修正されることになる。この修正
は、例えば、分割装置１６５を、増幅器１２０と二倍用
結晶１３０との間に移動することによって達成できる。
別法として、自己スイッチ結晶またはマッハ−ツェンダ
ー・スイッチのような既知の部品を使うことにより、周
波数変換後に基本波を取り出すことができる。かくし
て、Ｑ−スイッチ再生増幅器１４０に示されるように、
増幅器１４０に電子−光スイッチが配備されている。
【００６３】図２４に示すように、分離されたパルスの
他の部分は、再生増幅器１４０に入力される。この例で
は、再生増幅器はアレキサンドライトレーザであり、そ
れは励起作用をするアレキサンドライトレーザ１４５に
よって励起される。詳細に述べれば次のようである。ア
レキサンドライトレーザが３００℃のような高温で動作
するのに対して、再生増幅器１４０は約５０℃で動作す
る。
他の部分は、再生増幅器１４０に入力される。この例で
は、再生増幅器はアレキサンドライトレーザであり、そ
れは励起作用をするアレキサンドライトレーザ１４５に
よって励起される。詳細に述べれば次のようである。ア
レキサンドライトレーザが３００℃のような高温で動作
するのに対して、再生増幅器１４０は約５０℃で動作す
る。
【００６４】増幅されたパルスは、圧縮器１５０で再圧
縮される。圧縮器１５０は、上で説明した本発明による
望遠鏡１５５を含む配列である。この例は、種々の部品
を含む特殊な例を示すが、種々の修正や変形により更に
技術的に完成されたものになる。例えば、上に示した伸
張器−圧縮器の配列例の任意のものを使うことができ
る。同様に、他の再生増幅器と励起用レーザー（ポンプ
レーザー、以下同様）、例えば、エルビウムをドープし
たファイバー増幅器とエルビウムをドープしたファイバ
ーを使うことができる。更に、前に述べたように、任意
の電子−光スイッチの配列を使うこともできる。また、
電子−光スイッチの代わりに、従来のスイッチング用電
子装置を使うこともできる。
縮される。圧縮器１５０は、上で説明した本発明による
望遠鏡１５５を含む配列である。この例は、種々の部品
を含む特殊な例を示すが、種々の修正や変形により更に
技術的に完成されたものになる。例えば、上に示した伸
張器−圧縮器の配列例の任意のものを使うことができ
る。同様に、他の再生増幅器と励起用レーザー（ポンプ
レーザー、以下同様）、例えば、エルビウムをドープし
たファイバー増幅器とエルビウムをドープしたファイバ
ーを使うことができる。更に、前に述べたように、任意
の電子−光スイッチの配列を使うこともできる。また、
電子−光スイッチの代わりに、従来のスイッチング用電
子装置を使うこともできる。
【００６５】このような一つの修正例を図２５に示す。
ここでは本発明の伸張器は従来のマルチネズ・トレーシ
ー方式の圧縮器で置き代えられている。特に、図２４の
ファイバー伸張器１１０はマルチネズタイプの伸張器１
１０Ａで置き代えられ、圧縮器１５０は望遠鏡１５５を
取り除いたものに修正されている。勿論、望遠鏡１５５
は、例えば図１７に関して述べたように、より進歩した
ＧＶＤ補償が得られるように圧縮器１５０に挿入されて
いる。
ここでは本発明の伸張器は従来のマルチネズ・トレーシ
ー方式の圧縮器で置き代えられている。特に、図２４の
ファイバー伸張器１１０はマルチネズタイプの伸張器１
１０Ａで置き代えられ、圧縮器１５０は望遠鏡１５５を
取り除いたものに修正されている。勿論、望遠鏡１５５
は、例えば図１７に関して述べたように、より進歩した
ＧＶＤ補償が得られるように圧縮器１５０に挿入されて
いる。
【００６６】本発明にしたがって伸張されたパルスの周
波数を二倍にするために二倍用結晶を使うことは、多く
の面で利点がある。入力パルスのエネルギーが１００ｎ
Ｊ以上では、発生する第二高調波は１０〜１２％の変換
効率のところで飽和する。このことは、従来の複屈折で
位相整合する結晶が飽和するのに必要な値は、マイクロ
ジュールの10倍であるのに比較して、本質的に改善され
ていることを示している。圧縮パルスよりむしろ伸張パ
ルスの周波数を二倍にすることは、第二高調波のスペク
トルを広げるため、有利な点があり、その結果、より短
い圧縮パルスとなる。このことは、サブピコ秒のパルス
の周波数を二倍にするときに、基本パルスと第二高調波
との間を一時的に消去することにより、発生する第二高
調波のスペクトルを狭くできることになる。伸張パルス
は、通常、消去遅れ時間より長く、消去遅れ時間に影響
されることはない。その結果第二高調波のスペクトルは
広がる。３００ｐｓパルスの第二高調波は図２７に示す
通りである。これは圧縮されたフェムト秒パルスで得ら
れる第二高調波のスペクトル（１.９ｎｍ）より2倍広い
（４ｎｍ）ものである。
波数を二倍にするために二倍用結晶を使うことは、多く
の面で利点がある。入力パルスのエネルギーが１００ｎ
Ｊ以上では、発生する第二高調波は１０〜１２％の変換
効率のところで飽和する。このことは、従来の複屈折で
位相整合する結晶が飽和するのに必要な値は、マイクロ
ジュールの10倍であるのに比較して、本質的に改善され
ていることを示している。圧縮パルスよりむしろ伸張パ
ルスの周波数を二倍にすることは、第二高調波のスペク
トルを広げるため、有利な点があり、その結果、より短
い圧縮パルスとなる。このことは、サブピコ秒のパルス
の周波数を二倍にするときに、基本パルスと第二高調波
との間を一時的に消去することにより、発生する第二高
調波のスペクトルを狭くできることになる。伸張パルス
は、通常、消去遅れ時間より長く、消去遅れ時間に影響
されることはない。その結果第二高調波のスペクトルは
広がる。３００ｐｓパルスの第二高調波は図２７に示す
通りである。これは圧縮されたフェムト秒パルスで得ら
れる第二高調波のスペクトル（１.９ｎｍ）より2倍広い
（４ｎｍ）ものである。
【００６７】
【実施例】［１］回折格子伸張器と圧縮器との間の分散
誤整合の補償 図１７に示したと同様のＣＰＡシステムを用いて、収差
の利用の実験を行った。それは、ファイバーを基本とす
るマイクロジュール増幅装置である。初期のパルスは、
〜２４ｎｍのスペクトルのバンド幅をもつ１７５ｆｓの
初期パルスを出せるモードロックファイバー発振器で発
生される。これらのパルスは、正の群速度の分散マルチ
ネズタイプ回折格子伸張器で伸張され、二段階ファイバ
ー増幅器でマイクロジュールのエネルギーに増幅され、
負のＧＶＤトレーシータイプの圧縮器で再圧縮される。
圧縮器格子の間隔は、５０ｃｍである。伸張器のマルチ
ネズ望遠鏡は、５０ｃｍの焦点距離を持つ二つの二重凸
レンズから構成されている。伸張器の全長は、〜１.５
ｍである。
誤整合の補償 図１７に示したと同様のＣＰＡシステムを用いて、収差
の利用の実験を行った。それは、ファイバーを基本とす
るマイクロジュール増幅装置である。初期のパルスは、
〜２４ｎｍのスペクトルのバンド幅をもつ１７５ｆｓの
初期パルスを出せるモードロックファイバー発振器で発
生される。これらのパルスは、正の群速度の分散マルチ
ネズタイプ回折格子伸張器で伸張され、二段階ファイバ
ー増幅器でマイクロジュールのエネルギーに増幅され、
負のＧＶＤトレーシータイプの圧縮器で再圧縮される。
圧縮器格子の間隔は、５０ｃｍである。伸張器のマルチ
ネズ望遠鏡は、５０ｃｍの焦点距離を持つ二つの二重凸
レンズから構成されている。伸張器の全長は、〜１.５
ｍである。
【００６８】理想的には、マルチネズ構成の伸張器は、
トレーシー圧縮器の全ての分散項と一致（等しいが符号
は反対）すべきである。しかし、実際は望遠鏡レンズの
収差のために、完全には一致しない。上に述べたよう
に、この誤整合は１５５０ｎｍで特に大きい。発明者
は、〜４００ｆｓより短い再圧縮パルスを得ることは困
難であることを実験により発見した。数値的（光跡を利
用）解析により、また実験（いわゆる第二調波のＳＴＲ
ＵＴ技術(J-K Rhee, T.S.Sosnowski, T.B.Norris,; A.A
rns, W.S.Colburn,“Chirped-pulse amplification of
85-fs pulses at 250 kHz with third-order dispersio
n compensation by use of Holographic trａｎｓｍｉ
ｓｓｉｏｎ ｇｒａｔｉｎｇｓ，”Opt.Lett.19,1550(1
994)) によりパルス位相を測定する）により、本発明者
は標準的なマルチネズ伸張器における収差のための付加
的分散項は、β3＝１００×１０-39ｓ3とβ4＝−５０×
１０-5 1ｓ4とであると確定した。三次および四次のこの
ような大きな位相歪みは、伸張器と圧縮器との間の故意
の誤整合で補償することは不可能である。
トレーシー圧縮器の全ての分散項と一致（等しいが符号
は反対）すべきである。しかし、実際は望遠鏡レンズの
収差のために、完全には一致しない。上に述べたよう
に、この誤整合は１５５０ｎｍで特に大きい。発明者
は、〜４００ｆｓより短い再圧縮パルスを得ることは困
難であることを実験により発見した。数値的（光跡を利
用）解析により、また実験（いわゆる第二調波のＳＴＲ
ＵＴ技術(J-K Rhee, T.S.Sosnowski, T.B.Norris,; A.A
rns, W.S.Colburn,“Chirped-pulse amplification of
85-fs pulses at 250 kHz with third-order dispersio
n compensation by use of Holographic trａｎｓｍｉ
ｓｓｉｏｎ ｇｒａｔｉｎｇｓ，”Opt.Lett.19,1550(1
994)) によりパルス位相を測定する）により、本発明者
は標準的なマルチネズ伸張器における収差のための付加
的分散項は、β3＝１００×１０-39ｓ3とβ4＝−５０×
１０-5 1ｓ4とであると確定した。三次および四次のこの
ような大きな位相歪みは、伸張器と圧縮器との間の故意
の誤整合で補償することは不可能である。
【００６９】このような大きな三次および四次の位相の
関与を補償するために、簡単なガリレオ望遠鏡を、伸張
器の第二・再収束格子の後の空間的にチャープされた光
束中に挿入する。望遠鏡の詳細を図２１に示す。これ
は、一つの凹面を持つレンズ９００と一つの凸面を持つ
レンズ９１０とから構成されている。入射光束の直径と
ともに、レンズの焦点距離とパルスのＦＷＨＭバンド幅
が図示されている。レンズの向きと順序とは、与えられ
た大きさの位相補償をするためには重要である。数値的
に光線追跡を利用して、望遠鏡レンズの分散項は、β3 *
とβ4 *とがβ3 *＝−β3 とβ4*＝−β4 とになるように
選んだ。
関与を補償するために、簡単なガリレオ望遠鏡を、伸張
器の第二・再収束格子の後の空間的にチャープされた光
束中に挿入する。望遠鏡の詳細を図２１に示す。これ
は、一つの凹面を持つレンズ９００と一つの凸面を持つ
レンズ９１０とから構成されている。入射光束の直径と
ともに、レンズの焦点距離とパルスのＦＷＨＭバンド幅
が図示されている。レンズの向きと順序とは、与えられ
た大きさの位相補償をするためには重要である。数値的
に光線追跡を利用して、望遠鏡レンズの分散項は、β3 *
とβ4 *とがβ3 *＝−β3 とβ4*＝−β4 とになるように
選んだ。
【００７０】本発明による望遠鏡の利用により、再圧縮
パルスの質と持続時間とは著しく改善された。標準およ
び改良したマルチネズタイプ伸張器の後での圧縮パルス
の自己相関軌跡を図２２に示す。パルスの持続時間は、
４００ｆｓから２４０ｆｓに減少している。これは、パ
ルスの持続時間の限界値の見積もり値２０４ｆｓに近い
値である。第二調波のＳＴＲＵＴ軌跡を図２３（ａ）〜
（ｂ）に示す（図４（ａ）〜（ｂ）と図２１および図２
２と比較すると興味深い）。軌跡から付加的な収差補償
をした後、非線形な位相は事実上消えていることが分か
る。
パルスの質と持続時間とは著しく改善された。標準およ
び改良したマルチネズタイプ伸張器の後での圧縮パルス
の自己相関軌跡を図２２に示す。パルスの持続時間は、
４００ｆｓから２４０ｆｓに減少している。これは、パ
ルスの持続時間の限界値の見積もり値２０４ｆｓに近い
値である。第二調波のＳＴＲＵＴ軌跡を図２３（ａ）〜
（ｂ）に示す（図４（ａ）〜（ｂ）と図２１および図２
２と比較すると興味深い）。軌跡から付加的な収差補償
をした後、非線形な位相は事実上消えていることが分か
る。
【００７１】重要なことは、収差望遠鏡の配列を通過し
たあとの光束が良質であることである。この特殊な装置
のため、マルチネズ伸張器から出た最終の光束における
波等値の歪みは、初期収差に対する許容公差の条件（c
h.9 in M.Born, and E.Wolf.Principle of Optics, Per
gomon Press, Oxford, 1975 参照）であるλ／４より小
さいことが、光線追跡から分かる。実験的に観測された
光束は、この予測を実証している。観測された光束は円
形に回っており、空間的なチャープは全く認められな
い。
たあとの光束が良質であることである。この特殊な装置
のため、マルチネズ伸張器から出た最終の光束における
波等値の歪みは、初期収差に対する許容公差の条件（c
h.9 in M.Born, and E.Wolf.Principle of Optics, Per
gomon Press, Oxford, 1975 参照）であるλ／４より小
さいことが、光線追跡から分かる。実験的に観測された
光束は、この予測を実証している。観測された光束は円
形に回っており、空間的なチャープは全く認められな
い。
【００７２】本発明の補償用の望遠鏡を導入し、対応す
る分散項の量を微調整することにより、二次、三次、お
よび四次相を完全に除去することが出来た。格子間の光
束に沿ってマルチネズ望遠鏡を動かすことにより、四次
項を制御できた。これによって、標準的な伸張器構成の
分散に影響することなく、第二格子のあとの平行なコリ
メート光の大きさが変わった。この項の四次は光束の大
きさに依存するため、この制御は十分に大きな調整範囲
があった。収束光束に対してガリレイ望遠鏡を回転する
ことにより、三次項を制御した。伸張器と圧縮器との配
列において適当な格子間隔を選ぶことにより、二次項は
一致した。
る分散項の量を微調整することにより、二次、三次、お
よび四次相を完全に除去することが出来た。格子間の光
束に沿ってマルチネズ望遠鏡を動かすことにより、四次
項を制御できた。これによって、標準的な伸張器構成の
分散に影響することなく、第二格子のあとの平行なコリ
メート光の大きさが変わった。この項の四次は光束の大
きさに依存するため、この制御は十分に大きな調整範囲
があった。収束光束に対してガリレイ望遠鏡を回転する
ことにより、三次項を制御した。伸張器と圧縮器との配
列において適当な格子間隔を選ぶことにより、二次項は
一致した。
【００７３】［２］ファイバーを基本とするマイクロジ
ュールパルス・シード源とアレキサンドライトで励起さ
れるアレキサンドライト再生増幅器とから成る混成チャ
ープ・パルス増幅器 混成ファイバーとアレキサンドライトＣＰＡシステムと
の実験装置を、図２４および図２５に示す。これは、励
起作用を内蔵するモードロック・ファイバー発振器１０
０、回折格子伸張器１１０、三段ファイバー増幅器１２
０、非線形の倍周波数用結晶１３０、アレキサンドライ
トで励起されるアレキサンドライト再生増幅器１４０、
および回折格子圧縮器１５０から成っている。発振器
は、広域の１Ｗダイオードレーザー（図示されず）で励
起され、２０ＭＨｚ，１７０ｆｓのパルスを出す。広域
のレーザーダイオードを使うことにより、システムの原
価を可成り下げることができる。パルス伸張器１１０
は、マルチネズタイプ構成内に配列されている。格子は
ホログラフィー技術で作られ、線間隔は１２００線／ｍ
ｍ、最大回折効率は１５５０ｎｍにある。入力光束の入
射角は、７１°に設定されている。初期パルスは、約７
００ｐｓの時間幅に伸張される。伸張されたパルスは、
多段ファイバー増幅器１２０に入力される。
ュールパルス・シード源とアレキサンドライトで励起さ
れるアレキサンドライト再生増幅器とから成る混成チャ
ープ・パルス増幅器 混成ファイバーとアレキサンドライトＣＰＡシステムと
の実験装置を、図２４および図２５に示す。これは、励
起作用を内蔵するモードロック・ファイバー発振器１０
０、回折格子伸張器１１０、三段ファイバー増幅器１２
０、非線形の倍周波数用結晶１３０、アレキサンドライ
トで励起されるアレキサンドライト再生増幅器１４０、
および回折格子圧縮器１５０から成っている。発振器
は、広域の１Ｗダイオードレーザー（図示されず）で励
起され、２０ＭＨｚ，１７０ｆｓのパルスを出す。広域
のレーザーダイオードを使うことにより、システムの原
価を可成り下げることができる。パルス伸張器１１０
は、マルチネズタイプ構成内に配列されている。格子は
ホログラフィー技術で作られ、線間隔は１２００線／ｍ
ｍ、最大回折効率は１５５０ｎｍにある。入力光束の入
射角は、７１°に設定されている。初期パルスは、約７
００ｐｓの時間幅に伸張される。伸張されたパルスは、
多段ファイバー増幅器１２０に入力される。
【００７４】三つの増幅段は、それぞれレーザーダイオ
ードで励起される。励起パワーと波長とは、初段で１４
８０ｎｍの波長において５０ｍＷ、二段目で９８０ｎｍ
において２００ｍＷ、終段で９６０ｎｍにおいて４００
ｍＷである。パルスの繰り返し率を制御し、次の増幅段
が飽和することから発生する自己放射を防ぐために、三
つの音響光学スイッチ（図示されていない）が、増幅器
のそれぞれの入力端に使われている。音響光学ゲート
は、ファイバー発振器の繰り返し率のサブ調波によって
動作する。この手段によって、それぞれの増幅段から最
大のパルスエネルギーを取り出すことができる。初段の
入力のパルスエネルギーは１２ｐＪ、二段目は５ｎＪ、
そして三段目は〜１μＪである。三段目の増幅段では、
マイクロジュールパルスのエネルギーにおける非線形効
果を減らし、圧縮可能な出力エネルギーを増すために、
広域モードのファイバーが使われる。この特殊な構成で
は、〜２０μＪ以上のエネルギーが得られる。
ードで励起される。励起パワーと波長とは、初段で１４
８０ｎｍの波長において５０ｍＷ、二段目で９８０ｎｍ
において２００ｍＷ、終段で９６０ｎｍにおいて４００
ｍＷである。パルスの繰り返し率を制御し、次の増幅段
が飽和することから発生する自己放射を防ぐために、三
つの音響光学スイッチ（図示されていない）が、増幅器
のそれぞれの入力端に使われている。音響光学ゲート
は、ファイバー発振器の繰り返し率のサブ調波によって
動作する。この手段によって、それぞれの増幅段から最
大のパルスエネルギーを取り出すことができる。初段の
入力のパルスエネルギーは１２ｐＪ、二段目は５ｎＪ、
そして三段目は〜１μＪである。三段目の増幅段では、
マイクロジュールパルスのエネルギーにおける非線形効
果を減らし、圧縮可能な出力エネルギーを増すために、
広域モードのファイバーが使われる。この特殊な構成で
は、〜２０μＪ以上のエネルギーが得られる。
【００７５】増幅されたパルスのスペクトルは、モード
ロックファイバー発振器から得られる初期のバンド幅の
約１／３ほど狭くなる。これは、多段のファイバー増幅
器の利得〜６０ｄＢにおいて、利得を狭くした効果の結
果である。この効果のため、伸張され増幅されたパルス
の時間幅は、最終のスペクトルのバンド幅から推測され
る２００〜３００ｐｓに減少する。このスペクトルは、
図２６に示されている。
ロックファイバー発振器から得られる初期のバンド幅の
約１／３ほど狭くなる。これは、多段のファイバー増幅
器の利得〜６０ｄＢにおいて、利得を狭くした効果の結
果である。この効果のため、伸張され増幅されたパルス
の時間幅は、最終のスペクトルのバンド幅から推測され
る２００〜３００ｐｓに減少する。このスペクトルは、
図２６に示されている。
【００７６】長いパルスの擬似位相が整合した周波数を
効果的に２倍にするために、ＬｉＮｂ０3 結晶（ＰＰＬ
Ｎ）が使われる。擬似位相整合の非線形の中間体を使う
ことの一般的な利点は、結晶の透明な長さの範囲内で、
動作温度にかかわらず、任意の波長で位相整合ができる
ことであり、非線形磁化率テンソルの任意の成分を使う
ことができることである（M.M.Feijer, G.A.Magel, D.
H.Jundt, and R.L.Byer,“Quasi-Phase-Matched Second
Harmonic Generation Tuning and Tolerances,”IEEE
J. Quant. Electron,QE-28,2631（1992））。これは最
も大きい非線形係数を選び、基本波と第二高調波との間
の空間的な消去（ウォークオフ、以下同様）が発生しな
いようにすることにより、周波数変換効率が著しく上が
ることを意味する。ＬｉＮｂ０3 の場合、位相擬似整合
は非線形係数ｄ33（＝２７ｐｍ／Ｖ）を使うことで達成
できる。この係数は、複屈折位相整合（例えば、ＢＢＯ
のｄ22は２．３ｐｍ／Ｖである）に利用できる通常の非
線形係数より10倍も大きい。基本波と第二高調波とを、
光束が消去しないように、同じ偏光である（例えばｄ33
を使うためには、両波は異常な偏光成分でなければなら
ない）ように選ぶことが出来、その結果、利用できる相
互作用長さは最大になる。ＬｉＮｂ０3 結晶の擬似位相
整合は、電気的極性によって誘起される非線形磁化率の
符号が周期的に反転することを利用して行うことができ
る（L.E.Mayer, R.C.Eckardt, M.M.Fejer, R.L.Byer,
W.R.Bosenberg, J.W.Pierce, “Quasi-phase-matched o
ptical parametric oscillators in bulk periodically
poled LiNbO3," J. Opt. Soc. Am.B.12,2102(199
5)）。ここで述べた実験では、周期的な極性を持ったリ
チウムナイオベート（ＰＰＬＮ）は、〜１５５０ｎｍに
おける第一項の擬似整合に対して、〜１９ｎｍの変調周
期で使った。結晶を必要な温度（調整率は〜０．１８３
ｎｍ／℃）まで加熱することにより、厳密に位相整合す
る波長を選んだ。通常の動作温度は、２０℃〜７０℃の
範囲である。４００、９２０それに１２５０μｍのＰＰ
ＬＮ試料長さは、それぞれ３１．６、１３．８それに１
０．１２ｎｍの二倍周波数のバンド幅になる。
効果的に２倍にするために、ＬｉＮｂ０3 結晶（ＰＰＬ
Ｎ）が使われる。擬似位相整合の非線形の中間体を使う
ことの一般的な利点は、結晶の透明な長さの範囲内で、
動作温度にかかわらず、任意の波長で位相整合ができる
ことであり、非線形磁化率テンソルの任意の成分を使う
ことができることである（M.M.Feijer, G.A.Magel, D.
H.Jundt, and R.L.Byer,“Quasi-Phase-Matched Second
Harmonic Generation Tuning and Tolerances,”IEEE
J. Quant. Electron,QE-28,2631（1992））。これは最
も大きい非線形係数を選び、基本波と第二高調波との間
の空間的な消去（ウォークオフ、以下同様）が発生しな
いようにすることにより、周波数変換効率が著しく上が
ることを意味する。ＬｉＮｂ０3 の場合、位相擬似整合
は非線形係数ｄ33（＝２７ｐｍ／Ｖ）を使うことで達成
できる。この係数は、複屈折位相整合（例えば、ＢＢＯ
のｄ22は２．３ｐｍ／Ｖである）に利用できる通常の非
線形係数より10倍も大きい。基本波と第二高調波とを、
光束が消去しないように、同じ偏光である（例えばｄ33
を使うためには、両波は異常な偏光成分でなければなら
ない）ように選ぶことが出来、その結果、利用できる相
互作用長さは最大になる。ＬｉＮｂ０3 結晶の擬似位相
整合は、電気的極性によって誘起される非線形磁化率の
符号が周期的に反転することを利用して行うことができ
る（L.E.Mayer, R.C.Eckardt, M.M.Fejer, R.L.Byer,
W.R.Bosenberg, J.W.Pierce, “Quasi-phase-matched o
ptical parametric oscillators in bulk periodically
poled LiNbO3," J. Opt. Soc. Am.B.12,2102(199
5)）。ここで述べた実験では、周期的な極性を持ったリ
チウムナイオベート（ＰＰＬＮ）は、〜１５５０ｎｍに
おける第一項の擬似整合に対して、〜１９ｎｍの変調周
期で使った。結晶を必要な温度（調整率は〜０．１８３
ｎｍ／℃）まで加熱することにより、厳密に位相整合す
る波長を選んだ。通常の動作温度は、２０℃〜７０℃の
範囲である。４００、９２０それに１２５０μｍのＰＰ
ＬＮ試料長さは、それぞれ３１．６、１３．８それに１
０．１２ｎｍの二倍周波数のバンド幅になる。
【００７７】１００ｎＪ以上の入力エネルギーでの第二
高調波の発生量は、１０〜１２％の変換効率のところで
飽和する。これは、従来の複屈折位相整合結晶が飽和に
至るのに必要な値がマイクロジュールの１０倍であるの
に比べ、本質的に進歩していることを示している。３０
０ｐｓのパルスの第二高調波スペクトルを図２７に示
す。圧縮されたフェムト秒パルスで得られる第二高調波
スペクトル幅（１．９ｎｍ）よりも、２倍の広さ（４ｎ
ｍ）になっていることが分かる。これは、ＰＰＬＮ結晶
で一時的消去が起こることによる。ＧＶＤは、基本波と
第二高調波とで異なっており、二つのパルスの間に〜３
００ｆｓ／ｍｍの一時的な遅れが生ずる。この遅れの効
果は、３００ｐｓの伸張パルスに対しては無視できる
が、フェムト秒の圧縮パルスに対しては重要になる。す
なわち、フェムト秒ＳＨパルスのスペクトルの持続時間
が大きくなり、幅が小さくなる（W.H. Glenn,"Second-H
armonic Generation by Picosecond Optical Pulses,"I
EEE J. Qunt.Electron.QE-5,284(1969)）。スペクトル
の幅が最大になると、最終的に増幅され、再圧縮された
パルスは最も短い持続時間になるので、スペクトルの幅
を最大に保持することは好ましいことである。
高調波の発生量は、１０〜１２％の変換効率のところで
飽和する。これは、従来の複屈折位相整合結晶が飽和に
至るのに必要な値がマイクロジュールの１０倍であるの
に比べ、本質的に進歩していることを示している。３０
０ｐｓのパルスの第二高調波スペクトルを図２７に示
す。圧縮されたフェムト秒パルスで得られる第二高調波
スペクトル幅（１．９ｎｍ）よりも、２倍の広さ（４ｎ
ｍ）になっていることが分かる。これは、ＰＰＬＮ結晶
で一時的消去が起こることによる。ＧＶＤは、基本波と
第二高調波とで異なっており、二つのパルスの間に〜３
００ｆｓ／ｍｍの一時的な遅れが生ずる。この遅れの効
果は、３００ｐｓの伸張パルスに対しては無視できる
が、フェムト秒の圧縮パルスに対しては重要になる。す
なわち、フェムト秒ＳＨパルスのスペクトルの持続時間
が大きくなり、幅が小さくなる（W.H. Glenn,"Second-H
armonic Generation by Picosecond Optical Pulses,"I
EEE J. Qunt.Electron.QE-5,284(1969)）。スペクトル
の幅が最大になると、最終的に増幅され、再圧縮された
パルスは最も短い持続時間になるので、スペクトルの幅
を最大に保持することは好ましいことである。
【００７８】本発明の二倍用結晶１３０を使うことから
得られる利点は多大である。勿論、全体を通しての特徴
は、図２に示したように、コンパクトな入射源と高エネ
ルギーバルク増幅器とを組み合わせることである。他の
利点は、このようなシステムを本発明の二倍用結晶１３
０を使うことなくして、如何にして構成できるかを考え
ると自ずと明らかになる。すなわち、周波数を二倍用結
晶１３０がなければ、再生増幅器を働かせるため、図２
に示すように、トリガー用電子回路を使わざるを得な
い。図２０の配列に二倍用結晶１３０を使うことによ
り、トリガー用電子回路は必要ではなくなる。
得られる利点は多大である。勿論、全体を通しての特徴
は、図２に示したように、コンパクトな入射源と高エネ
ルギーバルク増幅器とを組み合わせることである。他の
利点は、このようなシステムを本発明の二倍用結晶１３
０を使うことなくして、如何にして構成できるかを考え
ると自ずと明らかになる。すなわち、周波数を二倍用結
晶１３０がなければ、再生増幅器を働かせるため、図２
に示すように、トリガー用電子回路を使わざるを得な
い。図２０の配列に二倍用結晶１３０を使うことによ
り、トリガー用電子回路は必要ではなくなる。
【００７９】同様に、本発明の二倍用結晶１３０が無け
れば、再生増幅器に入る前に三段階の増幅器１２０から
の光束を圧縮器で圧縮し、周波数を二倍にしなければな
らない。このことは、勿論、さらにバルク部品を追加す
ることになる。このような配列では、本発明の二倍用結
晶１３０を使うことが必要である。ファイバー増幅器で
得られるパルスエネルギーは、シングルモードのファイ
バーに対しては本質的に上限値である。飽和フルエンス
は可成り高い（２〜３Ｊ／ｃｍ2 ）が、シングルモード
ファイバーの外殻の断面積が小さいため、実際のパルス
エネルギーは１〜１００μＪに限定される。より高いパ
ルスエネルギーに対しては、バルク増幅器を使わなけれ
ばならない。使用可能なものとして、色中心を持つＣ
ｒ：ＹＡＧ、エルビウムをドープしたガラス、アレキサ
ンドライト、チタン：サファイアなどの増幅媒質であ
る。これらのうちどれを選ぶかは、利得スペクトルの平
均位置が、ファイバー源の基本波または第二調波のいず
れかにあることにより決定した。
れば、再生増幅器に入る前に三段階の増幅器１２０から
の光束を圧縮器で圧縮し、周波数を二倍にしなければな
らない。このことは、勿論、さらにバルク部品を追加す
ることになる。このような配列では、本発明の二倍用結
晶１３０を使うことが必要である。ファイバー増幅器で
得られるパルスエネルギーは、シングルモードのファイ
バーに対しては本質的に上限値である。飽和フルエンス
は可成り高い（２〜３Ｊ／ｃｍ2 ）が、シングルモード
ファイバーの外殻の断面積が小さいため、実際のパルス
エネルギーは１〜１００μＪに限定される。より高いパ
ルスエネルギーに対しては、バルク増幅器を使わなけれ
ばならない。使用可能なものとして、色中心を持つＣ
ｒ：ＹＡＧ、エルビウムをドープしたガラス、アレキサ
ンドライト、チタン：サファイアなどの増幅媒質であ
る。これらのうちどれを選ぶかは、利得スペクトルの平
均位置が、ファイバー源の基本波または第二調波のいず
れかにあることにより決定した。
【００８０】ここで述べた実験で明らかになったので、
発明者は、パルスエネルギーをミリジュールレベルまで
押し上げるためにアレキサンドライト再生増幅器を使っ
た。アレキサンドライトの利得バンド幅は、７００から
８５０ｎｍに広がっている。これは、エルビウムをドー
プしたファイバー源からの第二高調波の増幅には適して
いる。
発明者は、パルスエネルギーをミリジュールレベルまで
押し上げるためにアレキサンドライト再生増幅器を使っ
た。アレキサンドライトの利得バンド幅は、７００から
８５０ｎｍに広がっている。これは、エルビウムをドー
プしたファイバー源からの第二高調波の増幅には適して
いる。
【００８１】
【００８２】
【００８３】周波数を二倍にされたパルスを、アレキサ
ンドライト再生増幅器１４０に入力した。ここで、〜６
０パルスが通過した後、パルスエネルギーは１０ｍＪに
達する。この特殊な実験の設定では、励起用アレキサン
ドライトレーザー１４５は、パルス当たり１００Ｊの閃
光で励起した。しかし、この配列ではレーザーダイオー
ドで十分に励起できる。この励起レーザー１４５は、１
５０μｓのパルス時間幅、１０Ｈｚの繰り返し率で、パ
ルス当たり１Ｊ以上を発生した。出力波長は、７３５ｎ
ｍにおける最大エネルギーで、７２０〜７６０ｎｍの間
に変えることが出来た。励起用レーザー１４５の空間出
力は、光束の大きさが７から１０ｍｍの多モードであっ
た。励起光を吸収するため、アレキサンドライト増幅器
１４０を２３０−３５０℃に保持した。かくして、本発
明で主張する有利な設定では、アレキサンドライト再生
増幅器を励起するために励起用アレキサンドライトレー
ザーを使うことができる。
ンドライト再生増幅器１４０に入力した。ここで、〜６
０パルスが通過した後、パルスエネルギーは１０ｍＪに
達する。この特殊な実験の設定では、励起用アレキサン
ドライトレーザー１４５は、パルス当たり１００Ｊの閃
光で励起した。しかし、この配列ではレーザーダイオー
ドで十分に励起できる。この励起レーザー１４５は、１
５０μｓのパルス時間幅、１０Ｈｚの繰り返し率で、パ
ルス当たり１Ｊ以上を発生した。出力波長は、７３５ｎ
ｍにおける最大エネルギーで、７２０〜７６０ｎｍの間
に変えることが出来た。励起用レーザー１４５の空間出
力は、光束の大きさが７から１０ｍｍの多モードであっ
た。励起光を吸収するため、アレキサンドライト増幅器
１４０を２３０−３５０℃に保持した。かくして、本発
明で主張する有利な設定では、アレキサンドライト再生
増幅器を励起するために励起用アレキサンドライトレー
ザーを使うことができる。
【００８４】実験の興味ある特徴は、初期のフェムト秒
パルスが１５５０ｎｍに伸張され、圧縮パルスが７７５
ｎｍで得られたことである。伸張器１１０と圧縮器１５
０との整合のために、圧縮器には２４００線／ｍｍの格
子が付属している。これは、１５５０ｎｍにおける１２
００線／ｍｍの伸張格子と同じλ／ｄ（ｄは格子間隔）
を持つと考えられる。
パルスが１５５０ｎｍに伸張され、圧縮パルスが７７５
ｎｍで得られたことである。伸張器１１０と圧縮器１５
０との整合のために、圧縮器には２４００線／ｍｍの格
子が付属している。これは、１５５０ｎｍにおける１２
００線／ｍｍの伸張格子と同じλ／ｄ（ｄは格子間隔）
を持つと考えられる。
【００８５】
【００８６】
【００８７】
【００８８】ここまで、発明の好ましい例と実験装置に
ついて記述または図示してきたが、このことは、添付し
た請求範囲に規定したような発明の精神と見通しを離れ
ないで、形式と詳細を変形することが当業者によれば可
能であるものと理解できるであろう。
ついて記述または図示してきたが、このことは、添付し
た請求範囲に規定したような発明の精神と見通しを離れ
ないで、形式と詳細を変形することが当業者によれば可
能であるものと理解できるであろう。
【図１】 本発明の一実施例としての非混成の装置の構
成を示す模式図
成を示す模式図
【図２】 本発明の一実施例としての混成装置の構成を
示す模式図
示す模式図
【図３】 回折格子圧縮器の各種の構成を示す組図
（ａ）従来のトレーシー方式の回折格子圧縮器を示す模
式図 （ｂ）従来のマルチネズ方式の回折格子圧縮器を示す模
式図 （ｃ）従来の複合マルチネズ方式の回折格子圧縮器を示
す模式図 （ｄ）本発明の実施例としての回折格子圧縮器を示す模
式図
式図 （ｂ）従来のマルチネズ方式の回折格子圧縮器を示す模
式図 （ｃ）従来の複合マルチネズ方式の回折格子圧縮器を示
す模式図 （ｄ）本発明の実施例としての回折格子圧縮器を示す模
式図
【図４】 本発明の超短パルスの位相を制御する原理を
示す組図 （ａ）望遠鏡に入射する光波の波頭面の形状を示すグラ
フ （ｂ）望遠鏡を通過した光波の波頭面の変形を示すグラ
フ （ｃ）望遠鏡のレンズ配列を示す模式図
示す組図 （ａ）望遠鏡に入射する光波の波頭面の形状を示すグラ
フ （ｂ）望遠鏡を通過した光波の波頭面の変形を示すグラ
フ （ｃ）望遠鏡のレンズ配列を示す模式図
【図５】 本発明の望遠鏡の配列の各種の構成を示す組
図 （ａ）本発明の望遠鏡の従属的な配列の一例を示す模式
図 （ｂ）本発明の望遠鏡の従属的な配列の他の例を示す模
式図
図 （ａ）本発明の望遠鏡の従属的な配列の一例を示す模式
図 （ｂ）本発明の望遠鏡の従属的な配列の他の例を示す模
式図
【図６】 本発明の望遠鏡の一配列例の構成を示す模式
図
図
【図７】 本発明の望遠鏡の一配列例の構成を示す模式
図
図
【図８】 本発明の望遠鏡の一配列例の構成を示す模式
図
図
【図９】 本発明の望遠鏡の一配列例の構成を示す模式
図
図
【図１０】本発明の望遠鏡の一配列例の構成を示す模式
図
図
【図１１】本実施例の短光パルスの増幅装置の一例の構
成を示す模式図
成を示す模式図
【図１２】本実施例の短光パルスの増幅装置の一例の構
成を示す模式図
成を示す模式図
【図１３】本実施例の短光パルスの増幅装置の一例の構
成を示す模式図
成を示す模式図
【図１４】本実施例の短光パルスの増幅装置の一例の構
成を示す模式図
成を示す模式図
【図１５】本実施例の短光パルスの増幅装置の一例の構
成を示す模式図
成を示す模式図
【図１６】本実施例の短光パルスの増幅装置の一例の構
成を示す模式図
成を示す模式図
【図１７】本実施例の短光パルスの増幅装置の一例の構
成を示す模式図
成を示す模式図
【図１８】本実施例の短光パルスの増幅装置の一例の構
成を示す模式図
成を示す模式図
【図１９】本発明による非線形のチャープファイバーを
使ってＧＶＤを補償する装置の模式図
使ってＧＶＤを補償する装置の模式図
【図２０】再生増幅器の速いスイッチングのため周波数
を２倍にされ伸張されたパルスを使った装置の配列を例
示する模式図
を２倍にされ伸張されたパルスを使った装置の配列を例
示する模式図
【図２１】本発明の利点を示すレンズ配列の構成を示す
模式図
模式図
【図２２】補正の効果を示すグラフ
【図２３】補正の効果を示す組図
（ａ）補正された波長の拡がりを示す時間分布図
（ｂ）補正されない波長の拡がりを示す時間分布図
【図２４】混成ファイバー伸張器と二倍結晶を持つアレ
キサンドライトＣＰＡシステムとを有する超短パルスの
増幅装置の構成を示す模式図
キサンドライトＣＰＡシステムとを有する超短パルスの
増幅装置の構成を示す模式図
【図２５】混成ファイバー伸張器と二倍結晶を持つ非混
成ＣＰＡシステムとを有する超短パルスの増幅装置の構
成を示す模式図
成ＣＰＡシステムとを有する超短パルスの増幅装置の構
成を示す模式図
【図２６】圧縮されたフェムト秒パルスで得られる第二
調波のスペクトルを示すグラフ
調波のスペクトルを示すグラフ
【図２７】本発明の実施例による３００ピコ秒パルスに
より得られる第二高調波を示しすグラフ
より得られる第二高調波を示しすグラフ
１：コンパクトな注入源 ２：高エネルギーバルク増
幅器 ５，１０：発振器（オシレーター） １５，２０：伸
張器（ストレッチャー） ２５，３０：光学的増幅器 ５０：トリガー用電子回
路 ４０：バルク圧縮器 ４５：光学的周波数変換器 ５５：高エネルギー増幅器 ６５：バルク圧縮器（コ
ンプレッサー） ７０：二重層（色消し二重レンズ） ７１，７２：格
子 ７３，９３：レンズ ７５：回折格子 １４，２４，３４，４４，８０，８３：望遠鏡配列 ８５：コリメートされた光束 ９０：コリメーション
格子 １００：モードロック・ファイバー発振器 １１０：ファイバー回折格子伸張器 １１０Ａ：マルチネズタイプの伸張器 １２０：三段階ファイバー増幅器 １３０：二倍用結
晶 １４０：アレキサンドライト再生増幅器 １４５：アレキサンドライトレーザー １５０：回折格子圧縮器 １５５：望遠鏡 １６５：ビームスプリッタ １７０：Ｑスイッチ ５００：回折格子圧縮器 ５１０，５１０ｂ，５１０ｃ，５１０ｄ，５１０ｅ：望
遠鏡 ５１１，５１２：望遠鏡レンズ ５１３：コリメーシ
ョンレンズ ５１５：格子 ５１５ｄ，５１６ｄ：透過性回折格子 ５１５ｅ，５１６ｅ：プリズム ５２０，５２０ｂ，５２０ｄ，５２０ｅ：反射器 ６００：チャープファイバー格子（伸張器） ６００
ｂ：分散ファイバー ６００ｆ：自己変調ファイバー ６００ｅ，６５０
ｅ：ファイバー格子 ６０１ｃ：ファラデー回転鏡 ６０５ａ〜６０５ｈ：
回折格子圧縮器 ６１０ａ〜６１０ｈ：望遠鏡 ６１５ａ〜６１５ｄ，６１６ａ〜６１６ｄ：反射性回折
格子 ６２０ａ〜６２０ｄ：反射器 ６３０ａ〜６３０ｈ，
６３３ｈ：光学的増幅器 ６３５ａ：透過鏡 ６４０ｄ：レーザーダイオード ６７０ｈ：ＧＶＤ（群速度分散）補償器 ７０５：回折格子圧縮器 ７１０：非線形チャープ短格子 ７１５：線形チャー
プ長格子 ９００：凹レンズ ９１０：凸レンズ Ｐ：光パルス ＡＰ：増幅された光パルス ＣＰ：
圧縮された光パルス ΔΦ：波面の乱れ ρ：光路長 ω，ω0：角周波
数
幅器 ５，１０：発振器（オシレーター） １５，２０：伸
張器（ストレッチャー） ２５，３０：光学的増幅器 ５０：トリガー用電子回
路 ４０：バルク圧縮器 ４５：光学的周波数変換器 ５５：高エネルギー増幅器 ６５：バルク圧縮器（コ
ンプレッサー） ７０：二重層（色消し二重レンズ） ７１，７２：格
子 ７３，９３：レンズ ７５：回折格子 １４，２４，３４，４４，８０，８３：望遠鏡配列 ８５：コリメートされた光束 ９０：コリメーション
格子 １００：モードロック・ファイバー発振器 １１０：ファイバー回折格子伸張器 １１０Ａ：マルチネズタイプの伸張器 １２０：三段階ファイバー増幅器 １３０：二倍用結
晶 １４０：アレキサンドライト再生増幅器 １４５：アレキサンドライトレーザー １５０：回折格子圧縮器 １５５：望遠鏡 １６５：ビームスプリッタ １７０：Ｑスイッチ ５００：回折格子圧縮器 ５１０，５１０ｂ，５１０ｃ，５１０ｄ，５１０ｅ：望
遠鏡 ５１１，５１２：望遠鏡レンズ ５１３：コリメーシ
ョンレンズ ５１５：格子 ５１５ｄ，５１６ｄ：透過性回折格子 ５１５ｅ，５１６ｅ：プリズム ５２０，５２０ｂ，５２０ｄ，５２０ｅ：反射器 ６００：チャープファイバー格子（伸張器） ６００
ｂ：分散ファイバー ６００ｆ：自己変調ファイバー ６００ｅ，６５０
ｅ：ファイバー格子 ６０１ｃ：ファラデー回転鏡 ６０５ａ〜６０５ｈ：
回折格子圧縮器 ６１０ａ〜６１０ｈ：望遠鏡 ６１５ａ〜６１５ｄ，６１６ａ〜６１６ｄ：反射性回折
格子 ６２０ａ〜６２０ｄ：反射器 ６３０ａ〜６３０ｈ，
６３３ｈ：光学的増幅器 ６３５ａ：透過鏡 ６４０ｄ：レーザーダイオード ６７０ｈ：ＧＶＤ（群速度分散）補償器 ７０５：回折格子圧縮器 ７１０：非線形チャープ短格子 ７１５：線形チャー
プ長格子 ９００：凹レンズ ９１０：凸レンズ Ｐ：光パルス ＡＰ：増幅された光パルス ＣＰ：
圧縮された光パルス ΔΦ：波面の乱れ ρ：光路長 ω，ω0：角周波
数
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フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ
Ｈ０１Ｓ 3/108 Ｈ０１Ｓ 3/108
3/16 3/16
(72)発明者 ドナルド ジェー ハーター
アメリカ合衆国 ミシガン州 アンアー
バー サルグレイブ・プレイス3535番地
(56)参考文献 Ｓｔｅｖｅ Ｋａｎｅ ａｎｄ Ｊｅ
ｆｆ Ｓｑｕｉｅｒ，Ｇｒａｔｉｎｇ
Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｈ
ｉｒｄ−Ｏｒｄｅｒ Ｍａｔｅｒｉａｌ
Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ
Ｎｏｒｍａｌ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ
Ｒｅｇｉｍｅ，ＩＥＥＥ ＪＯＲＮＡ
Ｌ ＯＦ ＱＵＡＮＴＵＭ ＥＬＥＣＴ
ＲＯＮＩＣＳ，1995年11月，ＶＯＬ．31
ＮＯ．11，Ｐ2052−2057
Ｏｓｃａｒ Ｅｄｕａｒｄｅ Ｍａｒ
ｔｉｎｅｚ，300Ｔｉｍｅ Ｇｒａｔｉ
ｎｇＣｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ｗｉｔｈ
Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｇｒｏｕｐ Ｖｅｌ
ｏｃｉｔｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ，Ｉ
ＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＱＵＡ
ＮＴＵＭ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ,
1987年 １月，ＶＯＬ．ＱＥ−23 Ｎ
Ｏ．１，Ｐ59−64
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G02F 1/35
H01S 3/10
Claims (30)
- 【請求項１】光パルスを受け伸張された光パルスを出力
するコンパクトな伸張器と、 伸張された該光パルスを受け増幅された光パルスを出力
する光学的増幅器と、 増幅された該光パルスを受け圧縮された光パルスを出力
する圧縮器とを有し、 前記圧縮器は、増幅された該光パルスがその中でコリメ
ートされている少なくとも一つの光路と、該光路内に挿
入され増幅された該光パルスのコリメーションを維持す
るレンズ配列とを有することを特徴とする、 短光パルスの増幅装置。 - 【請求項２】前記圧縮器は、コリメートする回折格子お
よびレフレクターを有し、 該回折格子と該レフレクターとの間の光路に前記レンズ
配列が配設されている、請求項１記載の短光パルスの増
幅装置。 - 【請求項３】前記回折格子は、透過性である、 請求項２記載の短光パルスの増幅装置。
- 【請求項４】前記回折格子は、反射性である、 請求項２記載の短光パルスの増幅装置。
- 【請求項５】前記伸張器は、ファイバー格子を有する、 請求項１記載の短光パルスの増幅装置。
- 【請求項６】前記伸張器は、分散ファイバーを有する、 請求項１記載の短光パルスの増幅装置。
- 【請求項７】前記分散ファイバーは、さらに反射要素を
端部に有する、 請求項６記載の短光パルスの増幅装置。 - 【請求項８】前記反射要素は、ファラデー回転鏡であ
る、 請求項７記載の短光パルスの増幅装置。 - 【請求項９】自己位相変調ファイバーと、 伸張された光パルスを受け増幅された光パルスを出力す
る光学的増幅器と、 増幅された該光パルスを受け圧縮された光パルスを出力
する圧縮器とを有し、 前記圧縮器は、増幅された該光パルスがその中でコリメ
ートされている少なくとも一つの光路と、該光路内に挿
入され増幅された該光パルスのコリメーションを維持す
るレンズ配列とを有することを特徴とする、 短光パルスの増幅装置。 - 【請求項１０】光パルスを生成するコンパクトな注入源
と、 伸張された光パルスを受け増幅された光パルスを出力す
る光学的増幅器と、 増幅された該光パルスを受け圧縮された光パルスを出力
する圧縮器とを有し、 前記圧縮器は、該光パルスがその中でコリメートされて
いる少なくとも一つの光路と、該光路内に挿入され該光
パルスのコリメーションを維持するレンズ配列とを有す
ることを特徴とする、 短光パルスの発生装置。 - 【請求項１１】前記コンパクトな注入源は、チューナブ
ル・レーザーダイオードを有する、 請求項１０記載の短光パルスの発生装置。 - 【請求項１２】前記コンパクトな注入源は、短光パルス
を生成する発振器と、該短光パルスを伸張するコンパク
トな伸張器とを有する、 請求項１０記載の短光パルスの発生装置。 - 【請求項１３】前記コンパクトな注入源は、受光した光
パルスを伸張するコンパクトな伸張器を有し、 前記光学的増幅器と前記圧縮器との間に、該光学的増幅
器から受信した光パルスを予備圧縮し予備圧縮された該
光パルスを該圧縮器に送信するコンパクトな伸張器をさ
らに有する、 請求項１０記載の短光パルスの発生装置。 - 【請求項１４】光パルスを受け伸張された光パルスを出
力する伸張器と、 伸張された該光パルスを受け増幅された光パルスを出力
する光学的増幅器と、 増幅された該光パルスを受け圧縮された光パルスを出力
する圧縮器とを有し、 前記伸張器は、該光パルスがその中でコリメートされて
いる少なくとも一つの光路と、該光路内に挿入され該光
パルスのコリメーションを維持するレンズ配列とを有す
ることを特徴とする、 短光パルスの増幅装置。 - 【請求項１５】前記伸張器は、コリメートする回折格子
およびレフレクターを有し、 前記レンズ配列は、該回折格子と該レフレクターとの間
の光路に挿置されている、 請求項１４記載の短光パルスの増幅装置。 - 【請求項１６】前記回折格子は、透過性である、 請求項１５記載の短光パルスの増幅装置。
- 【請求項１７】前記回折格子は、反射性である、 請求項１５記載の短光パルスの増幅装置。
- 【請求項１８】光パルスを受け伸張された光パルスを出
力する伸張器と、 非線形群速度分散補償器と、 該補償器からの該光パルスを受け補償され増幅された光
パルスを出力する光学的増幅器と、 補償され増幅された該光パルスを受け圧縮された光パル
スを出力する圧縮器とを有し、 前記補償器は、該光パルスがその中でコリメートされて
いる少なくとも一つの光路と、該光路内に挿入され該光
パルスのコリメーションを維持するレンズ配列とを有す
ることを特徴とする、 短光パルスの増幅装置。 - 【請求項１９】前記補償器は、透過性の回折要素および
透過性の分散要素のうち一方であり、 前記レンズ配列ないし望遠鏡は、該回折要素とレフレク
ターとの間の光路に配設されている、 請求項１８記載の短光パルスの増幅装置。 - 【請求項２０】非線形チャープファイバー格子を持ち光
パルスを受け伸張された光パルスを出力する伸張器と、 伸張された該光パルスを受け増幅された光パルスを出力
する光学的増幅器と、 増幅された該光パルスを受け圧縮された光パルスを出力
する圧縮器とを有する、短光パルスの増幅装置。 - 【請求項２１】短光パルスの増幅装置において伸張器と
圧縮器との間での非線形群速度分散のミスマッチを補正
する方法であって、 前記伸張器および前記圧縮器のうち一方の中で、空間的
にチャープしコリメートされた光線の光路内に、該光線
のコリメーションを維持する少なくとも一つのレンズ配
列を挿入することを特徴とする、 非線形群速度分散ミスマッチの補正方法。 - 【請求項２２】短光パルスの増幅装置において伸張器と
圧縮器との間での非線形群速度分散のミスマッチを補正
する方法であって、 前記伸張器内に非線形チャープブラッグ格子を創成する
ことを特徴とする、 非線形群速度分散ミスマッチの補正方法。 - 【請求項２３】所定の周波数を持つ光パルスを生成する
発振器と、 該光パルスを伸張する伸張器と、 該伸張器から受光した該光パルスを増幅するコンパクト
な増幅器と、 該コンパクトな増幅器からの該光パルスを受光し該光パ
ルスの周波数を二倍にする二倍用結晶と、 該二倍用結晶から該光パルスを受光し該光パルスを増幅
するバルク増幅器と、 該バルク増幅器から該光パルスを受光し該光パルスを圧
縮する圧縮器と、を有することを特徴とする、光学増幅
装置。 - 【請求項２４】該バルク増幅器は、再生アレキサンドラ
イト・レーザー増幅器と、励起用アレキサンドライト・
レーザーとからなり、 該アレキサンドライト・レーザーの出力は、該再生アレ
キサンドライト・レーザー増幅器に供給される、 請求項２３記載の光学増幅装置。 - 【請求項２５】前記再生アレキサンドライト・レーザー
増幅器は、電子光学スイッチを含んでおり、 前記光パルスを分割し複数の光路を生成するビームスプ
リッターをさらに有し、 該光路の一つからの光パルスは、該再生アレキサンドラ
イト・レーザー増幅器に入り、 該光路の他の一つからの光パルスは、該電子光学スイッ
チの切り替え用に使われる、 請求項２４記載の光学増幅装置。 - 【請求項２６】前記伸張器からの伸張された前記光パル
スを受光し増幅する第２光学的増幅器をさらに有する、 請求項１８記載の短光パルスの増幅装置。 - 【請求項２７】光パルスを受光し伸張された光パルスを
出力する伸張器と、 伸張された該光パルスを受光し増幅された光パルスを出
力する光学的増幅器と、 非線形チャープ・ファイバー格子を持ち増幅された該光
パルスを受け圧縮された光パルスを出力する圧縮器と、
を有することを特徴とする、短光パルスの増幅装置。 - 【請求項２８】光パルスを受光し伸張された光パルスを
出力する伸張器と、 伸張された該光パルスを受光し増幅された光パルスを出
力する光学的増幅器と、 増幅された該光パルスを受け圧縮された光パルスを出力
する圧縮器と、 非線形チャープ・ファイバー格子を持つ群速度分散補償
器と、を有することを特徴とする、短光パルスの増幅装
置。 - 【請求項２９】所定の周波数を持つ光パルスを生成する
発振器と、 該光パルスを伸張する伸張器と、 該伸張器から該光パルスを受けて増幅するコンパクトな
増幅器と、 該光パルスを分割するビームスプリッターと、 該ビームスプリッターからの光パルスに反応する電子光
学スイッチを持つバルク増幅器と、を有することを特徴
とする、光学増幅装置。 - 【請求項３０】光パルスを生成するコンパクトな注入源
と、 該光パルスを増幅する光学的増幅器と、 少なくとも一つのコリメートされた光路とコリメートさ
れた該光路に挿入されたレンズ配列とを持つ非線形群速
度分散補償器と、 圧縮され増幅された該光パルスを受光し圧縮された光パ
ルスを出力する圧縮器と、を有することを特徴とする、
短光パルスの発生装置。
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