JP4691606B2 - 逆方向にチャーピングされながらアイドラ光を用いた光媒介型チャープパルス増幅装置 - Google Patents

Description

本発明は光媒介型チャープパルス増幅装置（Optical Parametric Chirped Pulse Amplification；ＯＰＣＰＡ）に係り、さらに詳しくは、数十フェムト秒（ｆｓ；１０^−１５秒）から数数ピコ秒（ｐｓ；１０^−１２秒）に至る領域のモードロックされた極超短レーザー光を増幅する逆方向にチャーピングされながらアイドラ光（以下、「余剰光」ともいう）を用いた光媒介型チャープパルス増幅装置（ＯＰＣＰＡ）に関する。

光媒介型チャープパルス増幅装置（ＯＰＣＰＡ）は、既存のパルスチャーピング光増幅（Chirped Pulse Amplification；ＣＰＡ）技術と光媒介増幅（Optical Parametric Amplification；ＯＰＡ）の概念を結合した新規な光増幅方式であって、最近活発に研究され始めたレーザー増幅技術である。

従来の光媒介型チャープパルス増幅装置（ＯＰＣＰＡ）においては、長波長を先行させるような方式のチャーピングを与える回折格子反平行構造（格子対の反平行関係による正のチャーピング）がパルス伸張系に先に適用され、増幅された後に短波長を先行させるチャーピングを与える回折格子平行構造（格子対の平行関係による負のチャーピング）がパルス圧縮系に適用されて、パルス伸張系において引き起こされたパルスの時間伸びを補償する。

これを図１から図４に基づいてより詳細に説明する。

図１は、従来の技術による光媒介型チャープパルス増幅装置（ＯＰＣＰＡ）の構造図である。

図１を参照すると、従来の光媒介型チャープパルス増幅装置（ＯＰＣＰＡ）は、パルス伸張系１０と、ポンプ光流入用の二色性ミラー８１、８２と、ポンプレーザー２１、２２と、光媒介増幅部３１、３２と、ポンプ光除去用の二色性ミラー４１、４２と、ビーム除去装置５１、５２及びパルス圧縮系６０を備えてなる。

パルス伸張系１０は、レーザー光を周波数ごとに光経路を異ならせて時間的に伸ばす装置である。すなわち、パルス伸張系１０においては、極超短レーザー出力光のパルス長を時間的に元の数フェムト秒（ｆｓ；１０^−１５秒）／数十ピコ秒（ｐｓ；１０^−１２秒）領域から数百ピコ秒（ｐｓ；１０^−１２秒）／数ナノ秒（ｎｓ；１０^−９秒）の領域に伸ばす（これについては、効率よい光増幅と光学部品の損傷限界を避けるために講じられた関連ＣＰＡ技術を参照すること）。

この明細書においては、前記パルス伸張系１０の出力光を単に「信号光」と称する。
パルス伸張系１０の構造の詳細については図２から図４に基づいて行われるため、ここではその説明を省略する。

ポンプレーザー２１、２２は、ポンプレーザー光（単に、「ポンプ光」と称する。）を出力する装置である。

ポンプ光流入用の二色性ミラー８１、８２は、異なる特性を有するポンプ光と信号光を流入させて次段（光媒介増幅部）に送る装置である。
光媒介増幅部３１、３２においては、前記ポンプ光を用いて信号光を増幅させ、余剰光を発生させる。これにより、ポンプ光そのものはその分減衰される。
すると、前記光媒介増幅部３１、３２の出力光はポンプ光、増幅された信号光及び余剰光となる。

前記ポンプ光と信号光との位相整合方式によって、光媒介増幅はコリニア位相整合（以下、「共線形位相整合」ともいう）と非共線形位相整合とに大別されるが、非共線形位相整合方式において設計条件を上手に選択する場合、共線形位相整合に比べて広い利得帯域幅を有することができ、一般に広帯域光媒介増幅（Broadband ＯＰＡ；Broadband optical parametric amplification）時に非共線形位相整合を利用することになる。この場合、余剰光は、今後、波長による角分散により活用困難になるため、ビーム除去器を用いてなくすことになる。

ポンプ光除去用の二色性ミラー４１、４２においては、光媒介増幅部３１、３２の出力光を信号光及びそれ以外の光（余剰光、ポンプ光）に分類して経路をそれぞれ異ならせる。

例えば、ポンプ光除去用の二色性ミラー４１、４２においては、信号光を反射させ、余剰光及びポンプ光が透過されるようにして、前記透過された余剰光及びポンプ光をビーム除去装置５１、５２を用いて除去する。

一般に、極超短レーザー発振器そのものからの出力光はかなり小さなパルス当たりのエネルギーを有しているため、複数段の増幅部（ＯＰＡ）を介して増幅することになる。

すなわち、前記ポンプレーザー２１、２２、光媒介増幅部３１、３２、ポンプ光除去用の二色性ミラー４１、４２及びビーム除去装置５１、５２などを複数備えて、所望の大きさの信号になるまで増幅が行われる。
この点、この明細書においては、ポンプレーザー２１、２２、ポンプ光流入用の二色性ミラー８１、８２、光媒介増幅部３１、３２、ポンプ光除去用の二色性ミラー４１、４２及びビーム除去装置５１、５２を順に「第１、第２」と称する。すなわち、図面番号２１は第１のポンプレーザー、２２は第２のポンプレーザーと称する。なお、第１のポンプレーザーから出力される光は第１のポンプ光と称し、第２のポンプレーザーから出力される光は第２のポンプ光と称する。

上記のように、所望の大きさだけ信号の増幅が行われると、最後にパルス圧縮系６０を用いてさらに時間的な圧縮が行われる。
図面符号７１から７４は、光（ビーム）の経路を切り換えるビーム経路切り換え用のミラーである。

図２から図４は、従来の技術による光媒介型チャープパルス増幅装置のパルス伸張系の構成図であって、図２は、回折格子反平行構造（屈折型）であり、図３は、回折格子反平行構造（反射型）であり、図４は、回折格子反平行構造（オフナー−トリプレット型）である。

先ず、図２を参照すると、屈折型回折格子反平行構造は、２つの回折格子（それぞれ「第１の回折格子」、「第２の回折格子」と称する。）１１１、１１２と、２枚のレンズ１１３、１１４及び１つの（ルーフ）ミラー１１５よりなる。

前記ミラー１１５は、入射光の高さだけを変更して反射させる役割を果たす。

その光経路を調べてみると、光は第１の回折格子１１１に入射して反射された後、２枚のレンズ１１３、１１４を通過した後に第２の回折格子１１２に入射して再び反射される。前記反射された光はミラー１１５に入射するが、その光は前記ミラー１１５により高さのみが変更されて反射される。前記反射された光は、第２の回折格子１１２、２枚のレンズ１１４、１１３及び第１の回折格子１１１を介してビーム経路切り換え用のミラー７１に入射する。

図２に示す屈折型回折格子反平行構造においては、下記の如き問題点が発生する。すなわち、レンズ１１３、１１４を有する屈折型回折格子反平行構造においては、レンズによる色収差などの問題が発生する。
前記レンズの色収差の問題を解決するために、図３に示す反射型回折格子反平行構造が提案されている。

図３を参照すると、反射型回折格子反平行構造は、２つの回折格子（それぞれ「第１の回折格子」、「第２の回折格子」と称する。）１２１、１２２と、２つの筒状ミラー１２３、１２４及び１枚の（ルーフ）プリズム１２５からなる。

上記において、プリズム１２５は、図２に示すミラーと同じ役割を果たす。

その光経路を調べてみると、光は第１の回折格子１２１に入射して反射された後、２つの筒状ミラー１２３、１２４を介して第２の回折格子１２２に入射・反射される。前記反射された光はプリズム（またはミラー）１２５に入射する。その光は前記プリズム１２５により高さのみが変更されて反射され、前記反射された光は第２の回折格子１２２、筒状ミラー１２４、１２３及び第１の回折格子１２１を通ってビーム経路切換え用のミラー７１に入射する。

図３に示す反射型回折格子反平行構造においては、下記の如き問題点が発生する。すなわち、２つの筒状ミラーにおける光軸に対する傾斜により収差などの問題点が発生する。
これを解消するために、図４Ａ（平面図）及び図４Ｂ（側面図）に示すオフナー−トリプレット構造が提案されている。

図４を参照すると、オフナー−トリプレット構造は、１つの回折格子１３１と、サイズの異なる２つの球状ミラー（それぞれ「第１の球状ミラー」、「第２の球状ミラー」と称する）１３２、１３３及び１つのプリズム（またはミラー）１３４よりなる。

上記のプリズム１３４は、図２のミラーと同じ役割を果たす。
前記第２の球状ミラー１３３が第１の球状ミラー１３２よりも大きい。

その光経路を調べてみると、光は回折格子１３１に入射して反射された後、第２の球状ミラー１３３に入射・反射される。前記反射された光は第１の球状ミラー１３２に入射・反射された後、さらに第２の球状ミラー１３３に入射・反射される。前記反射された光は回折格子１３１に入射し、再び反射されてプリズム１３４に入射する。その光は前記プリズム１３４により高さのみが変更されて反射されるが、回折格子１３１、第２の球状ミラー１３３、第１の球状ミラー１３２を通過し、さらに第２の球状ミラー１３３、回折格子１３１を通って出光される。

次に、従来の技術による光媒介型チャープパルス増幅装置の動作及び作用について説明する。

先ず、光は、図２から図４に示す構造を有するパルス伸張系（１０）を通過するが、これにより、長波長が先行する、時間的に伸びた構造を有する波形が出力される。

前記パルス伸張系１０の出力光（信号光）はビーム経路切換え用のミラー７１、７２を介して第１のポンプ光流入用の二色性ミラー８１に流入され、また、第１のポンプレーザー２１から出力された光（ポンプ光）も第１のポンプ光流入用の二色性ミラー８１に流入される。

前記信号光及びポンプ光は再び第１の光媒介増幅部３１に流入される。ここでは、ポンプ光により信号光が増幅されながら余剰光が発生され、ポンプ光そのものは減衰される。
結果として、前記第１の光媒介増幅部３１の出力光は、ポンプ光、増幅された信号光及び余剰光となる。

前記出力光は第１のポンプ光除去用の二色性ミラー４１に流入されて増幅された信号光及びそれ以外の光（ポンプ光、余剰光）に分離される。すなわち、減衰されたポンプ光及び余剰光は透過されて第１のビーム除去装置５１により除去され、増幅された信号光は反射される。

前記増幅された信号光が所定の大きさ以上に増幅された信号光であれば直ちにパルス圧縮系６０に流入され、そうでない場合には前記過程（ポンプ光流入用の二色性ミラーからビーム除去装置まで）を再び経ることになる。

すなわち、第１のポンプ光除去用の二色性ミラー４１において反射された信号光（増幅された信号光）が所定の大きさ以上に増幅された信号光ではなければ、他のポンプ光流入用の二色性ミラー（第２のポンプ光流入用の二色性ミラー）８２に流入され、また、第２のポンプレーザー２２から発せられたポンプ光も前記第２のポンプ光流入用の二色性ミラー８２に流入される。その後、第２の光媒介増幅部３２、第２のポンプ光除去用の二色性ミラー４２及び第２のビーム除去装置を経て、所定の大きさ以上に増幅された信号光となるまで前記過程は繰り返し行われる。

上記のように、増幅された信号光はパルス圧縮系６０に流入され、パルス圧縮系６０においては前記増幅された信号光を再び時間的に圧縮させる。
しかしながら、上記の如き構造の光媒介型チャープパルス増幅装置には、下記の如き問題点がある。

すなわち、従来の光媒介型チャープパルス増幅装置においては、回折格子反平行構造（屈折型、反射型、オフナー−トリプレット型）（図２から図４参照）をパルス伸張系に使用し、且つ、回折格子平行構造（図７参照）をパルス圧縮系に使用していたが、前記パルス圧縮系の構造が極めて複雑であるという問題点がある。これにより、光媒介型チャープパルス増幅装置も複雑になるだけではなく、光学系の整列も困難になり、コストアップとなるという問題点が発生していた。

本発明は上記の如き問題点を解消するためになされたものであり、その目的は、
第一に、長波長を先行させるような方式のチャーピングを与える回折格子反平行構造の代わりに、短波長を先行させるような方式のチャーピングを与える回折格子平行構造をパルス伸張系に適用させ、
第二に、第１の光媒介増幅部の出力光のうち増幅された信号光の代わりに余剰光を第２の光媒介増幅部に流入させ、
第三に、パルス圧縮系においてはパルス伸張系において使用した回折格子平行構造を同様に適用させて、
従来の問題点（構造の複雑化、コストアップ）を解消すると共に、これまでとは全く異なる新規な構造の光媒介型チャープパルス増幅装置を提供するところにある。

これを詳述すると、本発明の目的は、既存の複雑な構造を有するパルス伸張系を使用することなく、共線形位相整合構造と共に単なる回折格子対だけを用いて、レーザー光を時間的に周波数成分に対して既存の方式とは逆方向に伸ばした後（意図的な逆方向へのチャーピング）、２つの光媒介増幅段（２−stage ＯＰＡ；２−stage optical parametric amplification）を経由させる。１次増幅部（ＯＰＡ）において増幅された信号光は放棄すると共に、発生される余剰光だけを取った後、次の増幅段の信号光として使用するような方式を用いて、結果的にパルス圧縮系の前段において圧縮可能なチャーピングレーザー光（チャーピングパルス）を得るところにある。
すなわち、本発明の目的は、特に、ほとんど重なり合う信号光−ポンプ光の関係、すなわち、信号光波長（λ_ｓ）／ポンプ光波長（λ_ｐ）／余剰光波長（λ_ｉ）に対して、従来にはλ_ｓ＜２λ_ｐ＜λ_ｉまたはλ_ｉ＜２λ_ｐ＜λ_ｓであったのを本発明においてはλｓ≒２λ_ｐ≒λ_ｉになるようにして、ほとんどの光媒介増幅利得（ＯＰＡ利得）が共線形位相整合時であっても広い利得帯域を有しうるというかなり実用性が高くて簡単な構造を有する新規な概念のパルスチャーピング光媒介増幅装置（ＯＰＣＰＡ）を提案するところにある。

これまで光媒介増幅系において余剰光を活用することが困難であった理由について説明すると、下記の通りである。

第一に、非共線形方式の位相整合においては余剰光の角分散が発生するため、今後ビームが進行するとき、波長によって空間的に異なる方向に進行することになり、これを補正する適当な手段を見つけることが困難である。第二に、もし、余剰光を活用するために共線形位相整合を利用しながら、余剰光の偏光を正常光に合わせることで余剰光の角分散の問題を解消することはできるが、一般的には広い信号光のスペクトルに対して均一な利得を与えるほどの十分に広い利得帯域を得ることは困難である。第三に、特別な場合、共線形位相整合方式にも拘らず、信号光のスペクトルをいずれも十分に増幅可能な広い利得帯域が得られる場合もあるが、増幅信号光とは逆方向にチャーピングされたパルスを有することになり、今後通常のパルス圧縮系を通じてはパルス幅が元の状態に戻らない。また、これを圧縮して活用するためには、加工し難い広い口径を有する高価な一連の光学部品から構成された新規なパルス圧縮系が望まれる。その理由は、一般に、パルス伸張系がパルス圧縮系に比べて遥かに複雑な構造を有しているためである。

上記の如き目的を達成するために、本発明による光媒介型チャープパルス増幅装置は、レーザー光を周波数ごとに光経路を異ならせて時間的に伸ばすが、短波長を先行させる方式のチャーピングを与えるパルス伸張系と、ポンプレーザー光を出光する１以上のポンプレーザーと、前記ポンプレーザー光及びパルス伸張系を経た信号（信号光）を入力とし、前記ポンプレーザー光を用いて信号光を増幅させ、第１の余剰光を発生させる第１の光媒介増幅部と、前記第１の光媒介増幅部の出力光を第１の余剰光及びそれ以外の光（ポンプ光及び信号光）に分離する第１の光信号分離部と、前記第１の光信号分離部において分離された第１の余剰光及び他のポンプレーザーから出力されたポンプレーザー光を入力され、前記ポンプレーザー光を用いて第１の余剰光を増幅させ、第２の余剰光を発生させる第２の光媒介増幅部と、前記第２の光媒介増幅部の出力光を増幅された第１の余剰光及びそれ以外の光（ポンプ光及び第２の余剰光）に分離する第２の光信号分離部と、前記増幅された第１の余剰光をさらに時間的に圧縮させるパルス圧縮系と、
を備え、
共線形位相整合時に下記の関係式
＜関係式＞
λ_ｓ≒２λ_ｐ≒λ_ｉ
（ここで、λ_ｓは信号光波長、λ_ｐはポンプ光波長、λ_ｉは余剰光波長を示す。）
を満足することを特徴とする。

好ましくは、前記パルス伸張系とパルス圧縮系は同じ構造であり、さらに好ましくは、回折格子平行構造である。

また、好ましくは、前記回折格子平行構造は、平行構図を有する２つの回折格子と、入射光の高さのみを変更して反射させる１つのミラーと、を備えてなる。
さらに、好ましくは、前記第１及び第２の光媒介増幅部は、ＢＢＯ（Beta Barium Borate），ＬＢＯ（Lithium Triborate），ＫＴＰ（Potassium Titanyl Phosphate）及びＫＤＰ（Potassium Dihydrogen Phosphate）などの非線形光学媒質を利用する。

さらに、好ましくは、本発明による光媒介型チャープパルス増幅装置は、第１の光媒介増幅部の前段に設けられ、ポンプ光波長に対しては無反射コーティングが施されており、信号光波長に対しては広帯域高反射コーティングが施されている第１のポンプ光流入用の二色性ミラーと、第２の光媒介増幅部の前段に設けられ、ポンプ光波長に対しては無反射コーティングが施されており、第２の光媒介増幅部の信号光に相当する第１の余剰光の波長に対しては広帯域高反射コーティングが施されている第２のポンプ光流入用の二色性ミラーと、をさらに備える。

さらに、好ましくは、第１の光信号分離部は、第１の光媒介増幅部から出力された第１の余剰光は反射させ、それ以外の光（第１のポンプ光及び信号光）は透過させて第１の余剰光とそれ以外の光に分離する第１のポンプ光除去用の二色性ミラーである。
さらに、好ましくは、第２の光信号分離部は、第２の光媒介増幅部から出力されて増幅された第１の余剰光は反射させ、それ以外の光（ポンプ光及び第２の余剰光）は透過させて、増幅された第１の余剰光とそれ以外の光に分離する第２のポンプ光除去用の二色性ミラーである。

さらに、好ましくは、本発明による光媒介型チャープパルス増幅装置は、第１の光信号分離部において分離されたポンプ光及び信号光を除去する第１のビーム除去器をさらに備える。

さらに、好ましくは、本発明による光媒介型チャープパルス増幅装置は、第２の光信号分離部において分離されたポンプ光及び第２の余剰光を除去する第２のビーム除去器をさらに備える。

さらに、好ましくは、本発明による光媒介型チャープパルス増幅装置は、前記パルス伸張系の後段に設けられて入射した光の経路を第１のポンプ光流入用の二色性ミラーに切り換える第１のビーム経路切換え用のミラーをさらに備える。

さらに、好ましくは、本発明による光媒介型チャープパルス増幅装置は、前記第２のポンプ光除去用の二色性ミラーにおいて反射された光の経路をパルス圧縮系に切り換える第２のビーム経路切換え用のミラーをさらに備える。

以下、添付図面に基づき、本発明による好適な実施形態を詳述する。
図５は、本発明による光媒介型チャープパルス増幅装置のブロック図であり、図６は、図５をさらに詳細に示す光媒介型チャープパルス増幅装置の構造図である。

図５及び図６を参照すると、本発明による光媒介型チャープパルス増幅装置は、パルス伸張系１００と、ポンプレーザー２１０、２２０と、光媒介増幅部３１０、３２０と、光信号分離部４１０、４２０と、ビーム除去部（ビーム除去装置）５１０、５２０及びパルス圧縮系６００を備えてなる。

パルス伸張系１００は、レーザー光を周波数ごとに光経路を異ならせて時間的に伸ばすが、短波長を先行させるような方式（図９参照）のチャーピングを与える装置である。すなわち、パルス伸張系１００においては、極超短レーザー出力光のパルス長を時間的に元の数フェムト秒（ｆｓ；１０^−１５秒）／数十ピコ秒（ｐｓ；１０^−１２秒）領域から数百ピコ秒（ｐｓ；１０^−１２秒）／数ナノ秒（ｎｓ；１０^−９秒）の領域に伸ばす。

パルス伸張系１００の構造の詳細な説明は図７に基づいて行われるため、ここではその説明を省略する。

ポンプレーザー２１０、２２０は、ポンプレーザー光（ポンプ光）を出力する装置であって、本発明においては２以上（第１のポンプレーザー、第２のポンプレーザー）を備えている。

光媒介増幅部３１０、３２０においては、前記ポンプ光を用いて信号光を増幅させ、余剰光を発生させる。これにより、ポンプ光そのものはその分減衰される。

より詳述すると、第１の光媒介増幅部３１０への入力光は、第１のポンプレーザー２１０から出力される光（第１のポンプ光）及びパルス伸張系１００から出力される光（信号光）であり、第１の光媒介増幅部３１０から出力される光は、減衰された第１のポンプ光、増幅された信号光及び第１の余剰光となる。

また、第２の光媒介増幅部３２０の入力光は、第２のポンプレーザー２２０から出力される光（第２のポンプ光）及び第１の光信号分離部４１０において分離された光（第１の余剰光）であり、第２の光媒介増幅部３２０から出力される光は、減衰された第２のポンプ光、増幅された第１の余剰光及び新たに発生された余剰光（第２の余剰光）となる。

光媒介増幅部３１０、３２０は非線形光学媒質を利用することが好ましく、前記非線形光学媒質としては、ＫＴＰ(Potassium Titanyl Phosphate)、ＫＤＰ(Photassium Dihydrogen Phosphate)、ＬＢＯ(Lithium Triborate)及びＢＢＯ(Beta-Barium Borate)などがあり、前記非線形光学媒質にはポンプ光、信号光及び余剰光の波長に対して無反射コーティングが施される。ここで、ポンプ光と信号光の波長によって非線形光学結晶の製作及び位相整合方式の設計構造が異なってくる。

前記光媒介増幅部においてほとんど重なり合う信号光−ポンプ光の関係が成り立つが、従来にはλ_ｓ＜２λ_ｐ＜λ_ｉまたはλ_ｓ＞２λ_ｐ＞λ_ｉとなる関係が一般的であったが、本発明においてはλ_ｓ≒２λ_ｐ≒λ_ｉとなる関係を満足しなければならない。

ここで、λ_ｓは信号光波長、λ_ｐはポンプ光波長、λ_ｉは余剰光波長を示す。

上記の如き関係式を満足すれば、ほとんどの光媒介増幅利得（ＯＰＡ利得）が共線形位相整合時であっても広い利得帯域を有することができる（図８参照）。

光信号分離部４１０、４２０においては、除去しようとする光信号と次段に送ろうとする光信号とに分離し、ビーム除去装置５１０、５２０においては、前記光信号分離部４１０、４２０において分離されたものであって、除去しようとする光信号を除去する。

前記光信号分離部４１０、４２０の一例としては、ポンプ光除去用の二色性ミラーなどがあり、前記ポンプ光除去用の二色性ミラーは、除去しようとする光を透過させ、次段に送ろうとする光を反射させる役割を果たす。

より詳述すると、第１のポンプ光除去用の二色性ミラー４１０は、第１の余剰光波長に対しては広帯域高反射コーティングが施されており、第１のポンプ光及び信号光波長に対しては無反射コーティングが施されている。これにより、第１のポンプ光除去用の二色性ミラーにより第１の余剰光及びそれ以外の光（信号光、減衰された第１のポンプ光）に分離される。

また、第２のポンプ光除去用の二色性ミラー４２０は、第１の余剰光波長に対しては広帯域高反射コーティングが施されており、ポンプ光及び第２の余剰光波長に対しては無反射コーティングが施されている。これにより、第２のポンプ光除去用の二色性ミラーにより増幅された第１の余剰光及びそれ以外の光（第２の余剰光、第２のポンプ光）に分離される。

前記信号光及び減衰された第１のポンプ光は第１のビーム除去装置５１０により除去され、前記第２の余剰光及び第２のポンプ光は第２のビーム除去装置５２０により除去される。

もちろん、本発明においては、原理上には、前記ポンプ光除去用の二色性ミラーの役割をその逆に行わせてもよい。すなわち、前記ポンプ光除去用の二色性ミラーは、除去しようとする光を反射させ、次段に送ろうとする光を透過させて、前記反射された光が除去されるようにその位置にビーム除去装置を配設しても構わない。しかしながら、実際の場合、次段に送るべき出力光の分散を避けるために、通常、二色性ミラーは出力光に対して反射型に設計することがより好ましい。

本発明においては、第２のポンプレーザー２２０と、第２の光媒介増幅部３２０と、第２のポンプ光除去用の二色性ミラー４２０及び第２のビーム除去装置５２０を複数設けて、所望の信号になるまで増幅させ続ける。

最終的に増幅された光信号は、元の信号光とは異なる波長を有するように増幅された信号であり、この信号はパルス圧縮系６００により再び時間的に圧縮される。

本発明においては、光媒介増幅部３１０、３２０の前段に、異なる特性を有するポンプ光と信号光（または余剰光）を流入させて次段（光媒介増幅部）に送るポンプ光流入用の二色性ミラー８１０、８２０をさらに備えてもよい。

より詳細に説明すると、第１のポンプ光流入用の二色性ミラー８１０は、ポンプ光波長に対しては無反射コーティングが施されており、信号光波長に対しては広帯域高反射コーティングが施されている。また、第２のポンプ光流入用の二色性ミラー８２０は、ポンプ光波長に対しては無反射コーティングが施されており、第２の光媒介増幅部の信号光に相当する第１の余剰光の波長に対しては広帯域高反射コーティングが施されている。これにより、流入される両光は光媒介増幅部に送られる。

さらに、本発明においては、複数のビーム経路切換え用のミラー７１０〜７４０を設けて、前段から出力された光を次段に送っている。
前記ビーム経路切換え用のミラー７１０〜７４０は、信号光の全体の波長領域に対して広帯域高反射コーティングが施されている必要があり、入射した信号光の経路を切り換える役割を果たす。

これを詳述すると、例えば、パルス伸張系１００の後段にビーム経路切換え用のミラー７１０、７２０を設けて入射した光の経路を第１のポンプ光流入用の二色性ミラー８１０に切り換え、且つ、第２のポンプ光除去用の二色性ミラー４２０の後段にビーム経路切換え用のミラー７３０を設けて入射した光の経路をパルス圧縮系に切り換える。

また、本発明の光媒介増幅に当たって、信号光と余剰光との間の偶数次分散（ＧＶＤ、ＦＯＤなど）時には符号が反対の符号に変わり、奇数次分散（ＴＯＤなど）時には符号がそのまま維持されるという特性があり、回折格子対により発生した奇数次分散が本発明の構造においては累積されるようになっている。しかしながら、これは、最近多用されている商用の音響光学フィルター(Commercial ＡＯＰＤＦ; Acousto-Optic Programmable Dispersive Filter、Dazzlerなどがある)、チャープミラーなどを用いて簡単に補償可能であるため、本発明の構造においては問題とならない。

図７は、本発明の一実施形態による光媒介型チャープパルス増幅装置のパルス伸張系の構成図であって、回折格子平行構造を示す。

本発明においては、パルス伸張系とパルス圧縮系が同じ構造となっている。

例えば、図２及び図３に示す屈折（反射）型回折格子反平行構造をパルス伸張系とパルス圧縮系に同時に用いても構わなく、図４に示すオフナー−トリプレット型回折格子反平行構造を用いても構わない。

しかしながら、本発明においては、パルス伸張系とパルス圧縮系として、図２から図４に示す回折格子反平行構造よりは、図７に示すような簡単な構造を有する回折格子平行構造を用いた方がよい。

図７を参照すると、回折格子平行構造は、平行構図を有する２つの回折格子１４１、１４２と、入射光の高さのみを変更して反射させる１つのミラー１４３と、を備えている。その光経路を調べてみると、光は第１の回折格子１４１に入射して反射された後、第２の回折格子１４２に入射して反射される。前記反射された光はミラー１４３に入射し、前記ミラー１４３により高さのみが変更されて再び反射される。前記反射された光は第２の回折格子１４２、第１の回折格子１４１を通って出光される。

図８は、本発明において活用可能な共線形位相整合構造に設計された光媒介増幅装置のデザインの適用例である。

図８Ａ及び図８Ｂは、ＯＰＡ増幅部に対する光媒介利得曲線を示すものであって、図８Ａは、ポンプ光の強度を４００ＭＷ／ｃｍ^２、ＢＢＯ結晶の長さを１５ｍｍ、ポンプ光の波長を５３２ｎｍとしたときにおけるグラフを示し、中心波長１０４５ｎｍ〜１０８５ｎｍの信号光を増幅するのに活用することができる。図８Ｂは、ポンプ光の強度を４００ＭＷ／ｃｍ^２、ＢＢＯ結晶の長さを１１ｍｍ、ポンプ光の波長を３９０ｎｍとしたときにおけるグラフを示し、中心波長７７０ｎｍ〜７９０ｎｍの信号光を増幅させるのに活用することができる（上記の両ケースでは両方とも信号光と余剰光の偏光が正常光であるタイプＩ方式の位相整合を用いている）。

より詳述すると、図８Ａと図８Ｂは、光媒介増幅利得を示すものであって、例えば、図８Ａにおける実線曲線はθ＝２２．８４°及びα＝０°に設計された増幅段による増幅利得曲線であって、１０３０ｎｍの波長の信号光に対しては約２５００倍の信号増幅利得を得、且つ、１０５０ｎｍ波長の信号光に対しては約１８００倍の利得を得ることを示している。

参考までに、図８Ａにおける実線曲線はθ＝２２．８４°及びα＝０°であるとき、点線曲線はθ＝２２．８５°及びα＝０°であるとき、１点鎖線の曲線はθ＝２２．８６°及びα＝０°であるときをそれぞれ示す。

また、図８Ｂにおける実線曲線はθ＝２９．９８°及びα＝０°であるとき、点線曲線はθ＝２９．９９°及びα＝０°であるとき、１点鎖線の曲線はθ＝２３．００°及びα＝０°であるときをそれぞれ示す。

ここで、θはクリスタルの光学軸とポンプ光との間の角、αはポンプ光と信号光との間の角を示す。

本発明においては、余剰光を活用するために共線形位相整合を利用するが、これは、上述したように、下記の条件（関係式）を満足しなければならない。
＜条件＞
λ_ｓ≒２λ_ｐ≒λ_ｉ
ここで、λ_ｓは信号光波長、λ_ｐはポンプ光波長、λ_ｉは余剰光波長を示す。

上記の如き条件を満足すると、光媒介増幅利得（ＯＰＡ利得）が共線形位相整合時であっても広い利得帯域を有することができる。

図９は、本発明による光媒介型チャープパルス増幅装置のパルス伸張系により伸ばされた元の信号光のチャーピング状態を示すグラフであり、図１０Ａ及び図１０Ｂは、本発明による光媒介型チャープパルス増幅装置の第１の光媒介増幅部の出力光である信号光及び第１の余剰光のチャーピング状態を示すグラフである。また、図１１は、本発明による光媒介型チャープパルス増幅装置の第２の光媒介増幅部の出力光である増幅された第１の余剰光のチャーピング状態を示すグラフである。

同図を参照すると、一つのパルスがパルス伸張系１００を経由すると、図９に示すように、時間的に伸びた元の信号光となる。この信号は、従来のパルス伸張系１０を経由した信号とは逆方向に伸びたものである。すなわち、従来には長波長を先行させるような方式のチャーピングを与える回折格子反平行構造を経由し、本発明においては、短波長を先行させるような方式のチャーピングを与える回折格子平行構造を経由する。

上記の如き形態の波形が第１の光媒介増幅部３１０を経由すると、増幅された信号光（図１０Ａ参照）と余剰光（図１０Ｂ参照）が発生される。

前記余剰光は、長波長を先行した構造を有する。

本発明においては、上述したように、第１の光媒介増幅部３１０の出力光から信号光とポンプ光は分離されて除去され、第１の余剰光は選択されて次段（第２の光媒介増幅部）に送られる。

前記第１の余剰光が第２の光媒介増幅部３２０を経由すると、図１１に示すように増幅された余剰光が発生される。

上記のように構成された本発明による光媒介型チャープパルス増幅装置の動作及び作用について説明する。

図７に示す構造を有するパルス伸張系１００を通過したレーザー光は、波長に応じて時間的に伸びた構造の形態を有する。前記パルス伸張系１００は、短波長を先行させるような方式のチャーピングを与えるため、図９に示すような波形が出力される。

前記パルス伸張系１００の出力光（信号光）は、ビーム経路切換え用のミラー７１０、７２０を通って第１のポンプ光流入用の二色性ミラー８１０に流入されると共に、第１のポンプレーザー２１０から出力された光（第１のポンプ光）も前記第１のポンプ光流入用の二色性ミラー８１０に流入される。

前記信号光及びポンプ光は第１の光媒介増幅部３１０に同時に流入される。ここでは、ポンプ光により信号光が増幅されながら余剰光が発生され、ポンプ光そのものは減衰される。

要するに、前記第１の光媒介増幅部の出力光は、減衰された第１のポンプ光、増幅された信号光及び第１の余剰光となる。

前記出力光は第１のポンプ光除去用の二色性ミラー４１０に流入されて第１の余剰光及びそれ以外の光（第１のポンプ光、信号光）に分離される。すなわち、第１のポンプ光除去用の二色性ミラー４１０により第１のポンプ光及び信号光は透過されて第１のビーム除去装置５１０により除去され、第１の余剰光は反射される。

前記第１の余剰光は他のポンプ光流入用の二色性ミラー（第２のポンプ光流入用の二色性ミラー８２０）に流入されると共に、第２のポンプレーザー２２０から発せられたポンプ光（第２のポンプ光）も前記第２のポンプ光流入用の二色性ミラー８２０に流入される。

前記第１の余剰光及び第２のポンプ光は第２の光媒介増幅部３２０に流入される。ここではポンプ光により第１の余剰光が増幅されながら新たな余剰光（第２の余剰光）が発生され、第２のポンプ光そのものは減衰される。

要するに、前記第２の光媒介増幅部３２０の出力光は減衰された第２のポンプ光、増幅された第１の余剰光及び第２の余剰光となる。

前記出力光は第２のポンプ光除去用の二色性ミラー４２０に流入されて第１の余剰光及びそれ以外の光（第２のポンプ光、第２の余剰光）に分離される。すなわち、第２のポンプ光除去用の二色性ミラー４２０により第２のポンプ光及び第２の余剰光は透過されて第２のビーム除去装置により除去され、増幅された第１の余剰光は反射される。

前記増幅された第１の余剰光は、元の信号光とは異なる波長を有するように増幅された信号に相当する。

前記増幅された第１の余剰光が所定の大きさ以上に増幅された光であればパルス圧縮系に流入され、そうでない場合には前記過程（第２のポンプ光流入用の二色性ミラーから第２のビーム除去装置まで）を再び経ることになる。

前記第１の余剰光が最終的に所定の大きさ以上に増幅された光信号であればパルス圧縮系６００に流入され、パルス圧縮系６００においては前記増幅された余剰光を再び時間的に圧縮する。

したがって、本発明に用いられるパルス伸張系は、従来より用いられているパルス伸張系よりもその構造が簡単であり、これにより、光媒介型チャープパルス増幅装置の構造がさらに簡単になる。また、光学系の整列もさらに簡単になり、全体の光学系の安定性が高くなる。なお、製造コストを削減することができるというメリットがある。

加えて、光学媒質の通過時に起こる分散についても、長波長−短波長若しくは短波長−長波長のような変換仕組みを通じて分散がかなり打ち消されるというメリットがある。

さらに、既存の光媒介型チャープパルス増幅装置（ＯＰＣＰＡ）は、増幅部の増幅率だけ信号光とノイズを選択的に増幅することにより、ＳＮＲ（信号対雑音比）の点から通常の増幅部に比べてメリットを有するものであったが、本発明は、信号光により誘起された余剰光を用いて増幅を行うような仕組みであるため、増幅率だけの信号対雑音比に加えて、遥かに高い雑音増幅の除去能を示すことが期待され、これは、高出力レーザーのターゲット収束などにおいて問題視される前段パルスの問題への解決策となると見られる。

従来の技術による光媒介型チャープパルス増幅装置の構造図である。 従来の技術による光媒介型チャープパルス増幅装置のパルス伸張系の構成図である。 従来の技術による光媒介型チャープパルス増幅装置のパルス伸張系の構成図である。 従来の技術による光媒介型チャープパルス増幅装置のパルス伸張系の構成図である。 本発明による光媒介型チャープパルス増幅装置のブロック図である。 図５をさらに詳細に示す光媒介型チャープパルス増幅装置の構造図である。 本発明の一実施形態による光媒介型チャープパルス増幅装置のパルス伸張系の構成図である。 本発明において活用可能な共線形位相整合構造に設計された光媒介増幅装置のデザインの適用例である。 本発明による光媒介型チャープパルス増幅装置のパルス伸張系において伸ばされた元の信号光のチャーピング状態を示すグラフである。 本発明による光媒介型チャープパルス増幅装置の第１の光媒介増幅部の出力光である信号光及び第１の余剰光のチャーピング状態を示すグラフである。 本発明による光媒介型チャープパルス増幅装置の第１の光媒介増幅部の出力光である信号光及び第１の余剰光のチャーピング状態を示すグラフである。 本発明による光媒介型チャープパルス増幅装置の第２の光媒介増幅部の出力光である増幅された第１の余剰光のチャーピング状態を示すグラフである。

符号の説明

１００：パルス伸張系、
２１０、２２０：ポンプレーザー、
３１０、３２０：光媒介増幅部（ＯＰＡ）、
４１０、４２０：光信号分離部（ポンプ光除去用の二色性ミラー）、
５１０、５２０：ビーム除去部、
６００：パルス圧縮系、
７１０〜７４０：ビーム経路切換え用のミラー
８１０、８２０：ポンプ光流入用の二色性

Claims (12)

1. レーザー光を周波数ごとに光経路を異ならせて時間的に伸ばすが、短波長を先行させる方式のチャーピングを与えるパルス伸張系と、
   ポンプレーザー光を出光する１以上のポンプレーザーと、
   前記ポンプレーザー光及びパルス伸張系を経た信号（信号光）を入力とし、前記ポンプレーザー光を用いて信号光を増幅させ、第１のアイドラ光を発生させる第１の光媒介増幅部と、
   前記第１の光媒介増幅部の出力光を第１のアイドラ光及びそれ以外の光（ポンプ光及び信号光）に分離する第１の光信号分離部と、
   前記第１の光信号分離部において分離された第１のアイドラ光及び他のポンプレーザーから出力されたポンプレーザー光を入力され、前記ポンプレーザー光を用いて第１のアイドラ光を増幅させ、第２のアイドラ光を発生させる第２の光媒介増幅部と、
   前記第２の光媒介増幅部の出力光を増幅された第１のアイドラ光及びそれ以外の光（ポンプ光及び第２のアイドラ光）に分離する第２の光信号分離部と、
   前記増幅された第１のアイドラ光をさらに時間的に圧縮させるパルス圧縮系と、
   を備え、
   コリニア位相整合時に下記の関係式
   ＜関係式＞
   λ_ｓ≒２λ_ｐ≒λ_ｉ
   （ここで、λ_ｓは信号光波長、λ_ｐはポンプ光波長、λ_ｉはアイドラ光波長を示す。）
   を満足することを特徴とする光媒介型チャープパルス増幅装置。
2. 前記パルス伸張系とパルス圧縮系は、同じ構造であることを特徴とする請求項１に記載の光媒介型チャープパルス増幅装置。
3. 前記パルス伸張系とパルス圧縮系は、回折格子平行構造であることを特徴とする請求項１または２に記載の光媒介型チャープパルス増幅装置。
4. 前記回折格子平行構造は、平行構図を有する２つの回折格子と、入射光の高さのみを変更して反射させる１つのミラーと、を備えてなることを特徴とする請求項３に記載の光媒介型チャープパルス増幅装置。
5. 前記第１及び第２の光媒介増幅部は、非線形光学媒質を利用することを特徴とする請求項１に記載の光媒介型チャープパルス増幅装置。
6. 第１の光媒介増幅部の前段に設けられ、ポンプ光波長に対しては無反射コーティングが施されており、信号光波長に対しては広帯域高反射コーティングが施されている第１のポンプ光流入用の二色性ミラーと、
   第２の光媒介増幅部の前段に設けられ、ポンプ光波長に対しては無反射コーティングが施されており、第２の光媒介増幅部の信号光に相当する第１のアイドラ光の波長に対しては広帯域高反射コーティングが施されている第２のポンプ光流入用の二色性ミラーと、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光媒介型チャープパルス増幅装置。
7. 第１の光信号分離部は、第１の光媒介増幅部から出力された第１のアイドラ光は反射させ、それ以外の光（第１のポンプ光及び信号光）は透過させて第１のアイドラ光とそれ以外の光に分離する第１のポンプ光除去用の二色性ミラーであることを特徴とする請求項１に記載の光媒介型チャープパルス増幅装置。
8. 第２の光信号分離部は、第２の光媒介増幅部から出力されて増幅された第１のアイドラ光は反射させ、それ以外の光（ポンプ光及び第２のアイドラ光）は透過させて、増幅された第１のアイドラ光とそれ以外の光に分離する第２のポンプ光除去用の二色性ミラーであることを特徴とする請求項１に記載の光媒介型チャープパルス増幅装置。
9. 第１の光信号分離部において分離されたポンプ光及び信号光を除去する第１のビーム除去器をさらに備えることを特徴とする請求項１または７に記載の光媒介型チャープパルス増幅装置。
10. 第２の光信号分離部において分離されたポンプ光及び第２のアイドラ光を除去する第２のビーム除去器をさらに備えることを特徴とする請求項１または８に記載の光媒介型チャープパルス増幅装置。
11. 前記パルス伸張系の後段に設けられて入射した光の経路を第１のポンプ光流入用の二色性ミラーに切り換える第１のビーム経路切換え用のミラーをさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の光媒介型チャープパルス増幅装置。
12. 前記第２のポンプ光除去用の二色性ミラーにおいて反射された光の経路をパルス圧縮系に切り換える第２のビーム経路切換え用のミラーをさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の光媒介型チャープパルス増幅装置。

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