JPH09105964A - 高出力チャープパルス増幅装置およびコンプレッサー - Google Patents

高出力チャープパルス増幅装置およびコンプレッサー

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JPH09105964A
JPH09105964A JP8150104A JP15010496A JPH09105964A JP H09105964 A JPH09105964 A JP H09105964A JP 8150104 A JP8150104 A JP 8150104A JP 15010496 A JP15010496 A JP 15010496A JP H09105964 A JPH09105964 A JP H09105964A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型低廉な１００ｍＷ〜１０Ｗの高出力チャ
ープパルス増幅装置と、同装置に好適なコンプレッサー
とを提供すること。 【解決手段】 伸長されたパルス光である伸長パルスを
発生させる発生源１０と、該伸長パルスを増幅する出力
増幅段２０と、該伸長パルスを出力増幅段２０から受け
取り圧縮するコンプレッサー４０とを備えており、出力
増幅段２０には二重クラッドファイバーおよびポンプを
有し、超短パルスを発生する高出力チャープパルス増幅
装置。コンプレッサー４０には、レーザーパルス信号を
非線形効果の閾値未満の持続時間に圧縮するファイバー
格子とパルス信号をさらに圧縮するためにファイバー格
子で圧縮された前記パルス信号を受け入れる回折格子と
を備えていることが好ましい。クラッドポンプファイバ
ーのチャープパルス増幅作用で、小型低廉でありながら
高出力のチャープパルス増幅ができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、超短光パルスのチ
ャープパルス増幅装置の技術分野に属し、特に、クラッ
ドが励起されたファイバーを使用する高出力なチャープ
パルス増幅と、そのコンプレッサーとに関する。
【０００２】
【従来の技術】希土類でドーブされた単一モードのファ
イバーは、１９８５年にはじめて製造されて以来、最も
広く使われている固体レーザーメディア（媒体）となっ
た。この主な理由は明らかで、１９８７年にすでに示さ
れたこのメディアの長距離通信装置のための光学増幅器
としてのすぐれた性能にある。希土類ドープ・ファイバ
ーは、また、より高度な応用例、例えば、革命的な電気
通信装置として期待されているソリトン・ベースの通信
装置用の増幅器にも使われている。
【０００３】初期には、連続波レーザー源として、これ
らファイバーの性能を最適化する研究がなされた。希土
類ドープ・ファイバーレーザーの連続波を最適化する努
力はまた、スニッツァーその他の米国特許４８１５０７
９に開示されている様に、高出力を得るための簡単なデ
バイスとしての二重クラッドファイバー構造の提案をも
生んだ。
【０００４】二重クラッドファイバー構造では、ポンプ
源として低輝度ダイオードアレイが使用でき、ポンプ光
は、ファイバーの芯（コア）でなくて、クラッドの中へ
入射される。かくして、マルチモードのダイオードレー
ザーから単一モードのファイバーレーザーへの輝度変換
が高効率で達成されている。クラッドポンプのファイバ
ーレーザーのたった１つの短所は、コア寸法対クラッド
寸法の比率により有効吸収（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｂ
ｓｏｒｐｔｉｏｎ）が減少することで、この有効吸収は
通常１：１００程度の減少比である。したがって、（二
重クラッドファイバー構造で）高効率なファイバーレー
ザーを作るためには、単一クラッドのファイバー構造の
１００倍の長さのファイバーを使わねばならない。
【０００５】前記の応用例のいずれにおいても、単一モ
ードの希土類ドープ・ファイバーから高エネルギーで高
ピークパワーのパルスを引き出すということについて
は、考慮されていない。これらの従来技術にあっては、
レーザー信号は連続波である。その他の従来技術のクラ
ッドポンプ装置は、数ｐＪのエネルギーの数１０ピコセ
カンドの幅をもった信号を増幅するものである（例え
ば、ソリトン通信装置等）。
【０００６】しかしながら、非線形の光学的広用のため
の実用的な光源としてファイバーレーザーを考える場
合、これらの連続波や準連続波装置が発生するパワーレ
ベルは不充分である。たとえば、典型的な高効率光学的
パラメーター発振器には、パルスエネルギー約１０ｎＪ
のサブピコセカンドのパルスが必要である。かくして、
これらの増幅器の長さの故に、広い範囲の「許容できな
い非線形効果」が生じ、また、１ｋＷをこえるピークパ
ワーをもったパルスの入手が妨げられる。それゆえ、二
重クラッドポンプファイバーレーザーをその様な装置に
導入すると、作動に悪影響が出る。
【０００７】それでも、超高速技術を実用化するために
は、小型で一体型のユニットにより、超短（フェムトセ
カンドからピコセカンド）で高エネルギー（ナノジュー
ルからマイクロジュール）で平均パワーの高い（１００
ｍＷ〜１Ｗ）パルスを発生させることが、キーテクノロ
ジーとして肝要である。さらに、商業的に成功するに
は、この様なデバイスは、比較的低コストで量産に適し
ておらねばならず、しかも頑丈なものでなければならな
い。
【０００８】以上の特性を実現するために、超短光パル
スのファイバーレーザーと小型半導体とが開発されてい
る。さらに、これらのデバイスを作動させるために、超
短パルス発生技術その他の技術が開発された。たとえ
ば、放出波長の高速チューニング、ゲインースイッチン
グまたはモードロッキングを使い、半導体レーザーダイ
オードから、ピコセカンドやフェムトセカンドのパルス
を発生させることができる。ただし今のところでは、フ
ァイバーレーザーからのフェムトセカンドおよびピコセ
カンドのパルスの発生は、モードロッキングによっての
み可能である。
【０００９】ハイブリッド（上記技術の複合）のアプロ
ーチもまた可能である。その場合、まず高速チューニン
グまたはゲインスイッチされたレーザーダイオードで、
先ず長いパルスを発生させ、次にそれを、光ファイバー
またはファイバー増幅器を使ってソリトン効果により、
短くしている。従来技術としての前述の技術開発につい
ては、次の複数の文献（１〜５）に報告されている。 １． Ａ．ガルバナスカス他による「ダイオードレーザ
ーおよびファイバーベース装置によるナノジュールエネ
レギーのフェムトセカンド光パルスの発生」、アプライ
ド・フィジックスレター、１９９３年９月２７日。 ２． Ｎ．ステルマクその他による「Ｑ−スイッチされ
た連続波入射のＡｌＧａＡｓレーザーからの超短パルス
発生」、同誌１９９１年８月５日。 ３． Ｐ．デルフィットその他による「ハイブリッドモ
ードロックされた半導体ダイオードレーザー／増幅器装
置による２００ｆｓ光パルスの発生とキャビティー中パ
ルス進化」、オプティックス、１９９２年５月１日。 ４． Ｍ．ファーマンによる「単一モード希土類ドープ
ファイバーにもとづく超短パルス源」、アプライド・フ
ィジックス、１９９３年６月２１日。 ５． Ｍ．ナカザワ他による「配分フィードバックレー
ザーダイオードによるフェムトセカンド光パルス発
生」、エレクトロニックスレターズ、１９９０年１１月
２０日。
【００１０】前記の方法でこれらのデバイスを作動させ
ると超短パルスは出るが、しかし、多くの実用的応用に
は、前記の方法によるよりもさらに高いエネルギーと平
均パワーをもったパルスが必要である。一般に、半導体
レーザー源の最高パワーとパルスエネルギーは、非線形
効果、ゲイン飽和および「致命損傷（ｃａｔａｓｔｒｏ
ｐｈｉｃ ｄａｍａｇｅ）の低い限界値」により、約１
０ｍＷ〜１００ｐＪに制限されている。それに反して、
ファイバーはマイクロジュールに達するパルスエネルギ
ーと１Ｗをこえる平均パワーが出せる。しかしながら、
モードロックされたファイバーレーザーは特定の条件範
囲で、非線形効果に依存するので、限定されたパルスエ
ネルギー（１００ｐＪ〜１ｎＪ）および、比較的低い平
均パワー（１００ｍＷ以下）に制限される。ファイバー
中でのフェムトセカンドおよびピコセカンドパルスの直
接的な増幅も非線形効果の限界値が低いので、約１ｎＪ
以下に制限される。
【００１１】チャープパルス増幅（ＣＡＰ）技術にファ
イバー増幅器を利用すれば、前述の低いエネルギーおよ
びパワーの問題を解決できる可能性がある。ファイバー
増幅器でのチャープパルス増幅によれば、小型のファイ
バーおよびレーザーダイオード源のパルスエネルギーお
よび平均パワーのレベルを、現在の多くの大型科学レー
ザーのレベルに引き上げることができる。
【００１２】チャープパルス増幅（ＣＰＡ）法では、超
短パルスが伸長されて増幅されたのち、最終的に伝送の
前に再圧縮される。すると、比較的長い持続時間のパル
スを伸長することにより、増幅器内でのピークパワーが
比較的低く保たれるので、非線形効果とパルスの崩壊と
を防ぐことができる。しかし、光ファイバーとファイバ
ー増幅器の物性のために、ファイバー内でのチャープパ
ルス増幅の実施については、いくつかの解決せねばなら
ぬ問題や制限がある。すなわち、高ピークパワーで生じ
る非線形効果、ＡＳＥで制限されるゲイン、ゲイン幅減
少効果による再圧縮された時間の増大、限定されたポン
プ力による出力パワーの制限、小型コンプレッサー（圧
縮器）とストレッチャー（伸長器）との組合せによるパ
ルスの初期時間への再圧縮などの問題や制限である。
【００１３】本発明の発明者らは、以前にも１０〜１０
０ｍＷの平均出力パワーで、マイクロジュールのピコセ
カンドとフェムトセカンドの光パルスのエネルギー増幅
にファイバー増幅器つきチャープパルス増幅法を応用し
た。この研究に関しては、次の文献（６〜７）に記載さ
れている。 ６． Ａ．ガルバナスカス、Ｍ．Ｅ．ファーマン、Ｐ．
ブリクスト、Ａ．テレクセンおよびＤ．ハーターによる
「高エネルギー超短パルスのハイブリッドダイオード・
レーザーファイバー増幅器源」、オプティックスレター
１９、１０４３（１９９４年）。 ７． Ａ．ガルバナスカスによる「小型超高出力レーザ
ー装置」、レーザーおよびその応用に関する光学技術協
会コンファレンス( Int. Soc. of Optical Engineering
conf. on Lasers and Appl.) ＯＥ ＬＡＳＥ ９４，
サンノゼ、１９９５年、原稿番号２３７７−１４。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】高エネルギーパルスを
得るための主な方法は、光学ゲートを増幅段の間で使っ
て６０ｄＢ以上の高ゲインを得ることにあった。パルス
は、バルク式コンプレッサーおよびストレッチャーを使
って伸長され、再圧縮される。高パワー超短パルス技術
の実施の技術的課題は、ファイバー増幅器の高エネルギ
ーと高パワーの間にトレードオフ関係があること、そし
てこれら２つに関する制限が異なることでよく理解でき
る。
【００１５】エネルギー増幅器はポンプパワーに反し
て、収容されているエネルギーを効率よく引出す様に設
計されている。高パルスエネルギーに高ポンプパワーは
必要でない。事実、低い反復率を使って増幅されたパル
スの平均出力パワーを犠牲にすることで最高増幅ゲイン
は保つことができる。これに反して、高パワーの増幅出
力をうるためには、ポンプのための高パワーと高いパル
ス反復率での効率のよいパワー抽出が必要である。
【００１６】そこで本発明は、ファイバーチャープパル
ス増幅により、装置全体の小型サイズと低コストとを維
持しながら、１００ｍＷ〜１０Ｗレベルの高い平均出力
パワーを達成する高出力チャープパルス増幅装置を提供
することを、解決すべき課題とする。また本発明は、上
記高出力チャープパルス増幅装置に使用して好適なコン
プレッサーを提供することをも、併せて解決すべき課題
とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】本
発明による解決手段としての装置では、ポンプ用として
マルチモードのダイオードーレーザーを使用しており、
クラッドが励起されたファイバーを用いたチャープパル
ス増幅によって高パワーの出力が達成される。その結
果、本発明の高出力チャープパルス増幅装置によれば、
高いポンプパワーと高出力パワーとをかなり低コストで
得ることができる。本明細書および添付の図面に開示さ
れ特許請求されている新規装置は、増幅された光パルス
の短い持続時間と品質を保ちながら、クラッドポンプフ
ァイバー増幅器のチャープパルス増幅装置との適切な統
合を実現するものである。
【００１８】さらに、本明細書等に開示されている実施
例は、パルス圧縮のためのハイブリッドファイバー格子
と回折格子の組合せを、増幅され再圧縮された超短光パ
ルスの最高ピークパワーを犠牲にすることなく、小型な
装置で実現することを示している。以下の実施例には、
高パワーレーザーパルスのための高パワーアンプとして
二重クラッドファイバー構造の使用を可能にする装置デ
ザインが開示されている。これらの実施例には、いくつ
かのチャープパルス増幅技術の誘導形式を利用してい
る。
【００１９】すなわち、例えばチャープ・ファイバー・
ブラッグ格子（ｃｈｉｒｐｅｄ ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇ
ｇ ｇｒａｔｉｎｇｓ）を使用するなどして、超短光パ
ルスは、二重クラッド増幅器での増幅に先立って長い
「時間的長さ」に分散的に伸長されている。これによっ
て、二重クラッド増幅器内でのピークパワーは低く抑え
られており、カー型の非線形性も最小に抑制されてい
る。そして、最初のもの（格子）と反対にチャープされ
ているチャープファイバーブラッグ格子の中で、パルス
を再圧縮することで元のパルス幅が復元される。
【００２０】その結果、二重クラッドファイバー構造の
高連続波パワー能力は単一モードファイバーの高エネル
ギー収容能力と組合され、超高ピークパワーおよび超高
パルスエネルギーのパルスが、今までにない簡単さで発
生される。ここに開示されている本発明の技術は、例え
ば前記のスニッツァーその他の特許に示されている偏心
コア（オフセンターコア）のように特殊なファイバーデ
ザインを、必要とはしていない。本発明の装置では、フ
ァイバーコアは、従来の様にクラッドの中央に置かれて
いてかまわない。例えば、ポンプ光の導波路として、シ
リコンゴムなどの低い指数（屈折率）の材料でファイバ
ークラッドを包んでおきさえすればよい。この様なファ
イバーデザインには、光ファイバー用のアクリレートコ
ートが出現する以前から広く使われていた、低指数（低
屈折率）のコートを有する従来のファイバーも含まれて
いる。
【００２１】
〔実施例１および実施例２〕
（二重クラッドファイバー）先ず、本発明の実施例１と
しての高出力チャープパルス増幅装置に使用する二重ク
ラッドファイバーについて説明する。
【００２２】図１に、本発明の実施に適する二重クラッ
ドファイバーが示されている。図１に示されているのフ
ァイバーは、開口数（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔ
ｕｒｅ）の小さい小径をもつ単一モード中央コアＣ１で
芯が形成されている。そして単一モード中央コアＣ１
は、それより大きなマルチモードのコアＣ２（より大き
な開口数のもの）で周囲をとりかこまれている。マルチ
モード・コアＣ２は、さらにその周囲を第２のクラッド
Ｃ３で囲まれており、この第２のクラッドＣ３の周囲は
ファイバーコートＣ４で囲まれている。したがって、マ
ルチモード・コアＣ２は、単一モードコアＣ１内に信号
を留めておく（逃がさない）ためのクラッディングと、
伝搬するポンプ光のためのマルチモード導波路との両方
の役割を果たす。一般に、この様なファイバーの断面
は、完全に軸対称であってもよいし、前記のスニッツァ
ーその他の特許にあるように何らかの非対称が入ったも
のでもよい。
【００２３】しかしながら、前述のように非対称性は中
央コアのポンプ吸収を強めるために有用ではあるが、本
発明者らは、本発明の装置によれば対称なファイバーで
も同様の結果が得られることを実験的に発見している。 （従来技術によるポンプおよび増幅器）連続波装置（Ｃ
Ｗシステム）においては、二重クラッドファイバーが低
輝度ポンプビームを高輝度ビームに変換するために使わ
れてきた。
【００２４】このコンセプトは、図２（ａ）と図２
（ｂ）とに対照的に図示されている。すなわち、図２
（ａ）に示すように、単一立体モードのポンプダイオー
ド２００の出力（単一モードポンプビームＳＢ）は、単
一モードファイバー２０５に結合（カップリング）され
る。単一モードファイバー２０５には、単一モードコア
２１０と単一クラッド２１５とが含まれている。単一モ
ードファイバー２０５は、その両端で二色性ミラー２２
０によって仕切られている。このような仕組の難点は低
いポンプ力の他にもあり、単一モードレーザーダイオー
ド２００の出力ＳＢの非対称性と大きな開口数とが、軸
対称の低開口数ファイバーのモードと合致しにくいの
で、高い結合効率が発揮され難い。
【００２５】一方、上記結合効率の向上は、図２（ｂ）
に示すように、二重クラッドファイバー２３０を使用す
ることにより達成できる。図２（ｂ）の仕組では、単一
モードダイオード２００（図２（ａ）参照）の代わり
に、レーザーダイオードアレイ２２５を使用する。ダイ
オードアレイ２２５の低輝度ポンプビームＬＢは、二重
クラッドファイバー２３０に入射する。二重クラッドフ
ァイバー２３０の両端も、二色性ミラー２２０で仕切ら
れている。二重クラッドファイバー２３０は、図１の二
重クラッドファイバーと同じでよい。
【００２６】さらに、図２（ｂ）の仕組みでは、効率の
良いポンプビームＬＢとマルチモードコアＣ２との結合
（カップリング）は、開口数（Ｎ．Ａ．）とポンプビー
ムＬＢおよびマルチモードコアＣ２の寸法と合わせるこ
とにより達成できる。ポンプビームＬＢは、中央コアＣ
１中の複数の希土類のイオンにより、ファイバー２３０
に沿って（伝搬するうちに）吸収される。２つの二色性
ミラー２２０は、信号の波長では光線の一部を反射しポ
ンプ波長では光線を透過するので、高パワーで低輝度の
ポンプビームＬＢは、連続波（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ
Ｗａｖｅ）の高パワーかつ高輝度の単一空間モードビー
ムＳＳＯに変換される。
【００２７】これに対し、従来の単一モードファイバー
増幅器は、ポンプ用と単一波長の両方を単一の横方向モ
ードで伝搬するように設計されている。このためにポン
プ源は、効率よい単一モードファイバーコアとの結合に
適した高品質円形出力ビーム源のみに絞られる。そのよ
うなビーム源（例えば９８０ｎｍと１４８０ｎｍのレー
ザーダイオードＭＯＰＡおよびピグテールレーザーダイ
オード）は、現在のところ、５０ｍＷ〜１Ｗのポンプパ
ワーしか出せない。この単一モード源からの最高ポンプ
パワーは、レーザーの面（ファセット）の致命的損傷
（カタストロフィック・ダメージ）のために制限されて
しまう。
【００２８】ここで、既存のマルチストライプ・レーザ
ー・ダイオードアレイおよびバーは、１０Ｗ以上のポン
プ力を提供することができ、単一モードのビーム源より
も価格が１ケタ低廉である。しかしながら、幾何学的サ
イズが大きい発光面のゆえに、輝度が低いこととビーム
の非対称性とにより、効率よい単一モードファイバーと
の結合が阻害されてしまう。
【００２９】（実施例１，２の高出力チャープパルス増
幅装置）本発明の新規な装置においては、この問題はク
ラッドポンプファイバーの使用によって克服されてい
る。図３には、実施例１としての単一パスのパワー増幅
による二段クラッドポンプチャープパルス増幅装置が示
されている。一方、図４には、実施例２としての二重パ
ス・パワーアンプによる装置が示され、図３と同様な要
素には同じ符号がつけられている。二重パス・パワーア
ンプは、後段からより効率的にパワーを抽出するので好
適である。
【００３０】図３および図４に示すように、実施例１お
よび実施例２のそれぞれの増幅装置は、チャープパルス
源１０、プリアンプ段２０、パワーアンプ段３０ａ，３
０ｂ、およびコンプレッサー４０（図３には図示せず）
から構成されている。また、図３には、ポンプダイオー
ドアレイ５０と光学要素６０ａとが示されており、両者
５０，６０ａは、チャープパルス源１０からの光をコア
７０に焦点を結ばせるとともに、ダイオードアレイ５０
からの光を第１のクラッド８０へ入射させるために使わ
れている。この二重パスの仕組と格子コンプレッサー
（図略）とを結合する光学的仕組６０ｂには、図４に示
すように、偏光ビームスプリッター９０と（１／４）波
長板１００，１１０とが含まれている。
【００３１】本発明によるチャープパルス増幅（ＣＰ
Ａ）装置では、図３および図４に示されているように、
光学的フィードバックが既知（公知）の方法でなされて
いる。すなわち、単一ビームを単一モードのコアへ入射
し、ポンプビームをマルチモードのクラッドへ入射する
ことで同様の輝度変換が達成され、フェムトセカンドま
たはピコセカンドの低パワービームは、高パワーのビー
ムに変換される。
【００３２】その結果、本装置による出力パワーの向上
は、従来の単一モード形状のファイバーチャープパルス
増幅に比べ、１桁以上である。 〔実施例３〕 （格子について）たとえば、ダイオードレーザーの高速
チューニング、または、超短パルス源からのパルスを一
対の回折格子またはチャープブラッグ格子で伸長するこ
とで、チャープパルスを直接発生させることができる。
パルスは、増幅の後に同様のコンプレッサーで再圧縮さ
れる。（コンプレッサーには、）もともと頑丈で高信頼
性のチャープパルス増幅用の小型全ファイバー回路が使
えるので、チャープブラッグ格子の採用が好適である。
ただし、現在のところ、ブラッグ格子は光ファイバー内
でしか効率よく使用することができないので、増幅され
圧縮されたパルスの最高ピークパワーと格子の長さとの
間には、トレードオフ関係がある。増幅の後、伸長され
たパルスのピークパワーを低く保つためにはパルス長は
充分長くあるべきである。したがって、増幅されたパル
スのエネルギーはファイバー格子の長さに関係する。一
方、ファイバー格子が長いと圧縮された高ピークパワー
のパルスとの相互作用区間が長くなり、あるエネルギー
レベル（パルスと格子パラメーターとによって異なるが
１００ｎＪ〜１μＪ程度）では、コンプレッサー自身の
非線型効果により得られるパルスエネルギーが制限され
てしまう。
【００３３】（実施例３のコンプレッサー）本発明の実
施例３としての好適な光学装置（コンプレッサー）は、
図５に示すように、ファイバー格子コンプレッサー５１
０および回折格子コンプレッサー５２０のハイブリッド
の組合せが使われている。増幅され伸長されたパルス５
００は、まず、ファイバーコンプレッサー（５１０）の
非線型効果の限界以下の時間（約１０〜５０ｐｓ）にフ
ァイバー格子コンプレッサー５１０で予備圧縮（プリコ
ンプレス）される。最終的な圧縮は、比較的短いパルス
を圧縮するように設計された極めて小型の回折格子コン
プレッサー５２０により実現される。従来の金属反射格
子が、回折格子コンプレッサー５２０として使用でき
る。ただし、現在入手できる透過回折格子も、反射格子
より小型で頑丈な仕組に使えるので好適である。
【００３４】小型の半導体とファイバーレーザー源から
の典型的なパワーは、しばしば１０〜１００μＷのレベ
ルであり、これでは１００ｍＷ〜１Ｗの出力パワー域で
作動するパワーアンプを飽和するには不充分である。し
たがって、飽和に達して効率よくパワー抽出をするため
には、信号レベルが第二段の入力サイドで１〜１０ｍＷ
になるようにプリアンプが必要となる。しかしながら、
１〜５０ｍＷ高出力パワーを発揮する特定のファイバー
発振器が設計されており、このパワーはプリアンプなし
でパワーアンプを飽和するのに充分な大きさである。
【００３５】本発明の装置は、連続波（ｃｗ）信号では
なく、むしろ反復パルスを増幅するものである。それゆ
え、両方の増幅段階で光学格子技術を使わずに自然放出
の増幅を抑制するためには、その（反復パルスの）反復
率が充分に高い（１〜１００ＭＨｚ）ことが必要であ
る。 〔実施例４および実施例５〕 （実施例４および実施例５の概要）本発明により、実施
例４としてのマルチストライプ・ダイオードで励起され
たＥｒ／Ｙｂコドープ（ｃｏｄｏｐｅｄ）フィバー増幅
器によるチャープパルス増幅装置と、実施例５としての
Ｅｒドープ・クラッド・ポンプファイバー増幅器による
高平均パワーチャープパルス増幅装置とが構成される。
これらの装置は、それぞれ第６（実施例４）および図７
（実施例５）を参照して、下記のように説明される。た
だし、これらの実施例はＥｒドープ・ファイバーについ
て述べられてはいるが、ここに記述されている本発明
は、希土類（例えばＮｄ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｐｒ等）ドープ
のファイバーのいずれにでも応用することができる。
【００３６】（実施例４の構成と作用）実施例４は、広
域ダイオードでポンプされたＥｒ／Ｙｂコドープ二重ク
ラッドファイバーによるピコセカンド・チャープパルス
増幅装置である。発明者らによって考案されたクラッド
ポンプのピコセカンド・チャープパルス増幅装置の仕組
が、実施例４として図６に示されている。本実施例にお
いて、増幅ファイバー６５０の中央コアＣ１（図１参
照）には、ポンプ光Ｐを効率よく吸収し中央コアＣ１内
で光励起をＥｒ3+イオンに移すために、Ｙｂ3+がコドー
プされている。これにより、大面積のダイオード・レー
ザーからの高効率ポンプ結合が可能になる。コアのＥｒ
ドープレベルは概ね１０００ｐｐｍであった。
【００３７】本実施例の特徴は、ポンプ波Ｐおよび信号
波Ｓを分離／組合せするために、二重クラッドファイバ
ー６５０の入力端に二色性ミラー６５５が使われている
点である。すなわち、ポンプ光Ｐを加えるために２つの
二色性ミラー６５５がクラッドポンプ・ファイバー６５
０の一方の端部におかれる。これに対し、従来の単一モ
ードファイバー装置では、ファイバー波長分割マルチプ
レクサ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍ
ｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）が使用される。
【００３８】（本実施例の）二重クラッドの場合には、
信号光Ｓが単一モードでありポンプ光Ｐがマルチモード
であるから、標準の波長分割マルチプレクサは使用でき
ない。（ただし、マルチモードのポンプを内側のクラッ
ドへ導き、中央コア内での信号の伝搬を維持する特別設
計のマルチモード波長分割マルチプレクサがある。同じ
効果を得るために、二色性ミラー以外の方法も使用でき
る。） 本実施例においては、調整可能な（ｔｕｎａｂｌｅ）レ
ーザーダイオード６００の放出光Ｓを直接周波数チャー
プすることによって、チャープパルスが得られた。この
装置は、５０〜１００ｍＷの平均パワーが得られ、概ね
１μＪのエネルギーのパルスが得られるように設計され
た。その二段増幅器の設計により、概ね３０ｄＢの大き
な信号ゲインと効率よいパワー抽出とが可能になった。
【００３９】第１段増幅器６１０は、ピグテール・レー
ザーダイオード６３０からの波長１．４８μｍの５０ｍ
Ｗでポンプされた標準単一モード・Ｅｒドープファイバ
ー６２０を使って組立てられた。第二段パワーアンプ６
４０は、二重パス形式である。１００×１μｍの光放出
面積の１Ｗ広域レーザーダイオード（図示せず）が、二
色性ミラー６５５を通して増幅ファイバー６５０のクラ
ッドに結合されている。（二色性ミラー６５５では、）
波長９８０ｎｍのポンプ光Ｐの９９％以上が透過され、
波長１５５０ｎｍの信号光Ｓの９８％は反射された。増
幅ファイバー６５０のファイバー長さは５ｍであった。
信号光Ｓは、二色性ミラー６５５とその反対側の（増幅
ファイバー６５０の）端部を通して、増幅ファイバー６
５０の中央コア（Ｃ１）と結合された。偏光ビームスプ
リッター６９０と二つの波長板６６０，６６５によって
増幅されたビームは、入射ビームから分離され、コンプ
レッサー６７０へと送られた。
【００４０】ここで、図６において、波長板６６０はλ
／４デバイスとして示されている。ただし、λ／４−λ
２の仕組も使用できる。コンプレッサー６７０は回折格
子対およびファイバー内チャープブラッグ格子のうちい
ずれかである。付加的な２つの波長板６６０，６６５に
よりコンプレッサー６７０から反射されたビームは、装
置の出力端へと導かれる。
【００４１】前記の実施例の変形も可能である。たとえ
ば、偏光ビームスプリッター６９０および波長板（また
はファラデー回転子）６６０，６６５の仕組は、再入射
した光の偏光に影響を与えない（ｉｎｓｅｎｓｉｔｉｖ
ｅ ｔｏ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）光学アイソレー
ターで置き換えても良く、置き換えにより仕組みが単純
化される。
【００４２】レーザーダイオード６００からのパルスの
チャープバンド幅は７ｎｍであった。パルスのスペクト
ルは、増幅ファイバー６５０のゲインスペクトルの１５
３０ｎｍピークに位置していた。第１段６１０からの
０．５ｍＷの平均パワーは、第二段６４０を飽和するの
に充分であった。最高出力飽和パワーは、８００ｋＨｚ
の反復率で８４ｍＷであった。６０ｋＨｚで、平均パワ
ー６０ｍＷでのパルスエネルギーは、０．９８μＪの最
高値に達した。二重パス・クラッドポンプファイバー６
５０の非線型効果の限界（スレッショルド）により、こ
れ以上のパルスエネルギーの増加は制限された。コンプ
レッサー６７０を通して５０％のパワーが透過した。
【００４３】パワーとパルスエネルギー特性は、Ａ．ガ
ルバナスカスによる「高エネルギー超短パルスのハイブ
リッドダイオード−レーザーファイバー増幅器源」（オ
プチックスレター、１９９４年７月１５日）に報告され
ている、レーザーダイオードＭＯＰＡポンプ単一モード
ファイバー増幅器から得られる特性に近いものであっ
た。
【００４４】本実施例による上記装置の明らかな利点
は、パワーアンプのポンプ源のコストが１ケタ低いこと
である。また、この仕組で使われた１Ｗ広域レーザーダ
イオードは、ほとんど同じコストで、１０Ｗポンプ力以
上のはるかに強力なダイオードアレイで置き換えること
ができる。加えて、この装置の両段ともクラッドポンプ
式に設計することもできる。
【００４５】（高出力フェムトセカンド・チャープパル
ス増幅）コドープされたファイバーの不利な点は、単一
ドープのシリカファイバーに比べて、そのゲインバンド
幅と、ポンプからの信号へのパワー変換の効率とが減少
することである。さらに、フェムトセカンドのチャープ
パルス増幅装置でのファイバー増幅器の作動は、狭小バ
ンド幅の信号の増幅よりもはるかに複雑である。広バン
ド幅フェムトセカンド・パルスの増幅のためのチャープ
パルス増幅装置は、増幅され再圧縮されたパルスのスペ
クトル歪みおよび時間歪みを減らすように設計されねば
ならない。
【００４６】例えば、標準のＥｒドープファイバーのロ
ールオフが１５６２ｎｍ以上であるのに比べて、前記の
Ｅｒ／Ｙｂコドープの装置のゲインスペクトルのロール
オフは１５４３ｎｍ以上である。これは、典型的には１
５５０ｎｍより長い波長の近辺にあるモードロックのフ
ァイバーレーザーパルスの増幅に、大きく影響する。そ
のようなパルスの増幅後に、かなりのスペクトルの狭小
化と形状変化が起き、その結果再圧縮されたパルスの質
が落ちる。
【００４７】ファイバー増幅器のゲインスペクトル（誘
導放出断面スペクトル）のゲインのピークに合うように
パルススペクトルが最適に選ばれると、ゲインの狭小化
は最小になる。また、同じ目的で、ゲインバンド幅はパ
ルススペクトルよりもはるかに広くするべきである。一
つの解決策は、増幅器のスペクトル応答を平滑化するよ
うに、ファイバー増幅器を飽和パワー域で作動させるこ
とである。この点では、両段とも飽和状態で作動する二
段増幅が有利である。また、光学フィルターを使って増
幅中にパルススペクトルの形を変え、それによってファ
イバー増幅器のスペクトル特性に合わせることも可能で
ある。もう１つの解決策は、フラットで幅広いゲインを
得るために、または、異なったファイバーを組合せるた
めに、異なった主材料（ホスト）またはドープ剤（ドー
パント）を使うことである。
【００４８】（実施例５の構成および作用）実施例５で
は、図７に示すように、フェムトセカンド台の増幅を行
うために、ポンプクラッドの直径がコドープ・ファイバ
ーのポンプクラッドの直径より小さい、単一ドープファ
イバーが使われている。パワーアンプ７００は、高レベ
ルにドープされた（Ｅｒ3+ドープレベル：１００ｐｐ
ｍ）二重クラッドＥｒファイバー７１０から構成されて
いる。ここで、中央コアＣ１（図１参照）のみがＥｒド
ープされている。内側クラッドは直径が２０μｍなの
で、Ｙｂ3+をコドープしなくても効率の良いクラッドポ
ンプができる。このファイバー７１０は、単一ドープの
シリカファイバーの幅広いゲインとポンプ信号の高い変
換効率を有している。また、そのゲインスペクトルはこ
のモードロックファイバー発振器のスペクトルに合致
（マッチ）しているので、望ましくないスペクトル狭小
化を減らすことができる。ファイバー７１０は、９８０
ｎｍで１．６Ｗのトータルパワーを出す２つの極性マル
チプレックス単一モードＭＯＰＡレーザーダイオード
（図示せず）で、ポンプされている。本実施例のクラッ
ドポンプ手段では、単一モードポンプの極めて高効率
（約１００％）の入力結合が確保される。
【００４９】マルチモードレーザーダイオードビームの
効率よい結合は、また、例えばＷ．クラークソン他によ
る「高出力ダイオードバーのための新規なビーム形成
法」（ＣＬＥＯ’９４）に開示されたビーム形成法によ
っても実現できる。本実施例における単一ドープファイ
バー使用の利点は、シリカガラス以外の主材料が使える
ことである。例えば、Ｅｒでドープされたフッ化ガラス
ファイバーも、クラッドの小さい二重クラッドファイバ
ーとして製造できる。このフッ化物主材料は、そのゲイ
ンバンド幅がシリカベースのＥｒドープファイバーのそ
れよりも約２〜３倍であると言う利点を持っている。こ
れは、ゲインの狭小化効果を大きく減少するために極め
て重要である。フッ化物のファイバーによれば、チャー
プパルス増幅装置を通った後のパルスの時間は１００ｆ
ｓにも下げられる。
【００５０】図７の仕組において、チャープパルス増幅
のパルス源（図示せず）は、調節可能な反復率５〜５０
ＭＨｚで２００ｆｓＦＷＨＭと２０ｐＪエネルギーの初
期パルスを出す受動モードロックファイバー発振器であ
る。パルスは、５ｍｍの長さの正チャープされた１７ｎ
ｍバンド幅のファイバーブラッグ格子７２０により、約
５０ｐｓに伸長される。反射されたパルスは、ファイバ
ーピグテール偏光ビームスプリッター（ＦＰＢＳ）７４
０とファイバー極性コントローラー７５０（バルクＰＢ
Ｓと波長板の代わり）とを使って、プリアンプ７３０へ
入射される。パワーアンプ７００の飽和に充分なレベル
へ入力パワーを増加させるためには、プリアンプ７３０
が使われる。
【００５１】パワーアンプ７００は、前述のＥｒ／Ｙｂ
コドープ装置と同じ二重パス様式に仕組まれている。第
７図の実施例５の特徴は、格子伸長器７２０とコンプレ
ッサー７６０の間の装置の中の他のすべてのファイバー
の負の分散を補償するために、所定の長さの正分散ファ
イバーがプリアンプ段７３０の前に含まれていることで
ある。
【００５２】パワーアンプ７００へ入射された平均入力
パワーは、１０ｍＷに達した。パワーアンプ７００は、
平均信号パワーを０．４５Ｗのレベルへ強化（ブース
ト）する。負にチャープされたファイバーブラッグ格子
７６０での再圧縮後、平均出力パワーは０．２６に達し
た。この歩留りは、格子の反射率が約８０％であること
と、格子のファイバーピグテールへの結合効率が約８０
％であることとの故に、６０％に制限された。そして、
５０ＭＨｚの反復率で５．２ｎＪのパルスエネルギーが
得られた。反復率を下げると、パルスエネルギーは２０
ｎＪに増えた。これは、伸長されたパルスの持続時間を
非線形効果に抗して維持するためには、最大限のパルス
エネルギであった。再圧縮後のパルス幅は３８０ｆｓで
あった。初期の２００ｆｓのこのパルス時間増大は、フ
ァイバーアンプ７００のゲインバンド幅が制限に起因す
るゲイン狭小化の結果である。
【００５３】第７図の高出力ファイバーチャープパルス
増幅装置（ＣＰＡシステム）において、各パラメーター
は、第二段の終点で非線形効果を除去または減少するよ
うに設計されている。適切に設計された装置において
は、飽和した出力パワーに対応するパルス影響は、ファ
イバーコア内での非線形相互作用の限界における影響よ
りも小さくあるべきである。高い影響レベルで生じる非
線形性は、（短いパルスの）自己位相変調、（長いパル
スの）変調不安定性、および誘導ラマン散乱である。前
二者の影響は、光学材料の屈折率の光強度依存性による
ものである。これらの一般的影響としてスペクトルの幅
広化と位相の非線形性とが誘発され、その結果、再圧縮
されたパルスは幅広くなり形状変更される。典型的に言
って、サテライトパルス、変調サイドバンドおよびパル
スエネルギーのかなりの部分を含む低強度のバックグラ
ウンドが形成される。誘導ラマン散乱は、パルスエネル
ギーを増幅バンドの外のスペクトルバンドへと散らし、
圧縮できない背景とパルスエネルギーの損失とを生じ
る。
【００５４】（実施例１〜５のまとめ）本発明の各実施
例においては、ファイバー増幅器の長さを減らし、ドー
プレベルを上げることで非線形の相互作用の長さを減ら
して、これらの非線形の影響を防いでいる。あわせて、
伝搬モードの横方向立体的広がりを大きくしたクラッド
ポンプファイバーを適切に設計することでその影響を減
らし、そして効率の良いパルス伸長を使うことにより、
高ピークのパワーを避けている。
【００５５】また、パルスの反復率は、高いパワーレベ
ルでのピーク影響を下げるように調整されている。本発
明の各装置では、コドープなしでクラッドを励起する場
合、最初のクラッド内でのポンプのはねかえり数（バウ
ンド数）が十分に多くなり、（光線が）ドープされた中
央コアを横切る際に効率よく吸収されるよう、ファイバ
ーの長さを充分に長くしておくべきである。このこと
は、ファイバーの長さ、中央コアのドープレベル、およ
びクラッドの直径と中央コアの直径との比を適切に選ぶ
ことによってのみ低減される非線形相互作用のために
は、ファイバーの長さを短くしたいという要求と、調整
（マッチ）することが可能である。
【００５６】第二段のファイバー７１０の最適な長さ
は、ドープレベル１０００ｐｐｍの場合、３．８ｍであ
った。図８には、ファイバー７１０のポンプクラッドと
中央コアの横方向形状とが示されている。中央コアと第
１のクラッドの屈折率の差は、標準単一モードファイバ
ーよりも４０％大きい横方向モードを与えるように選ば
れた。モード直径のこれ以上の増大は、高次オーダーの
クラッドモードへの散乱の増大で制限された。この最適
化の結果、パルス伸長および再圧縮に使用された５ｍｍ
の線形にチャープされた（二つの）ファイバー格子が、
モードロックパルスの最も高い反復率でもって、充分に
低いピークパワーを与えた。上述のパルスとゲインスペ
クトルとのマッチングに関する考慮のために、格子反射
スペクトルはゲインスペクトルのピークと一致するよう
に選ばれた。
【００５７】本発明は特定の前記の実施例によって説明
されたが、様々な変形や修正が可能である。したがっ
て、そのような変形、修正のすべてが本発明の範囲に属
することがこの分野の専門家に理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 クラッドポンプ用の二重クラッドファイバの
構造を示す断面図
【図２】 従来技術によるポンプおよび増幅器の構成を
示す組図 （ａ）単一モード型のポンプ装置の模式図 （ｂ）マルチモード型の増幅器の模式図
【図３】 実施例１の高出力チャープパルス増幅装置の
構成を示す模式図
【図４】 実施例２の高出力チャープパルス増幅装置の
構成を示す模式図
【図５】 実施例３のチャープパルスコンプレッサーの
構成を示す模式図
【図６】 実施例４のパルス増幅装置の実験装置の構成
を示す模式図
【図７】 実施例５のパルス増幅装置の実験装置の構成
を示す模式図
【図８】 実施例３，４用のファイバー特性の横断プロ
フィール・グラフ
【符号の説明】
Ｃ１：単一モード中央コア（芯） Ｃ２：マルチモー
ド・コア Ｃ３：第２のクラッド Ｃ４：ファイバー
コート ＳＢ：単一モードポンプビーム ＬＢ：低輝度ポン
プビーム ＳＳ：単一モード出力ビーム ＳＳＯ：単一空間モー
ド出力ビーム Ｓ：信号光（信号波）、放射光 Ｐ：ポンプ光（ポン
プ波） ２００：単一立体モードのポンプダイオード ２０５：
単一モードファイバー ２１０：単一モードコア ２１５：単一クラッド
２２０：二色性ミラー ２２５：レーザーダイオードアレイ ２３０：二重ク
ラッドファイバー １０：チャープパルス源 ２０：プリアンプ段 ３０ａ，３０ｂ：パワーアンプ段 ４０：コンプレッ
サー ５０：ポンプダイオードアレイ ６０ａ：光学要素
６０ｂ：光学的仕組 ７０：コア ８０：第１のクラッド ９０：偏光ビ
ームスプリッター １００，１１０：（１／４）波長板 ５００：入力パ
ルス ５１０：ファイバー格子コンプレッサー ５２０：回
折格子コンプレッサー ６００：チューナブル・レーザーダイオード ６１
０：第１段増幅器 ６２０：標準単一モード・Ｅｒドープファイバー ６３０：ピグテール・レーザーダイオード ６４０：
第２段パワーアンプ ６５０：増幅ファイバー（二重クラッドファイバー）
６５５：二色性ミラー ６６０，６６５：波長板（λ／４デバイス） ６７
０：コンプレッサー ６９０：偏光ビームスプリッター ７００：パワーアンプ ７０５：二色性ミラー ７１０：二重クラッドＥｒファイバー ７２０：格子
伸長器 ７３０：プリアンプ ７４０：ファイバーピグテール
偏光ビームスプリッター（ＦＰＢＳ） ７５０：ファ
イバー極性コントローラー ７６０：負にチャープされたファイバーブラッグ格子

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】伸長されたパルス光である伸長パルスを発
    生させる発生源と、 該伸長パルスを増幅する出力増幅段と、 該伸長パルスを該出力増幅段から受け取り圧縮するコン
    プレッサーとを備え、 前記出力増幅段には、二重クラッドファイバーおよびポ
    ンプを有することを特徴とする、超短パルスを発生する
    高出力チャープパルス増幅装置。
  2. 【請求項２】前記伸長パルスと前記ポンプの出力光と
    を、前記伸長されたパルスを増幅するための前記二重ク
    ラッドファイバーの入力側へ伝達する伝達手段と、 該伸長パルスを該二重クラッドファイバーの出力側から
    前記コンプレッサーへ伝達するために、該コンプレッサ
    ーに該二重クラッドファイバーをカップリングする結合
    手段と、を備えている、請求項１記載の高出力チャープ
    パルス増幅装置。
  3. 【請求項３】前記ポンプは、広帯域レーザーダイオード
    およびレーザーダイオードアレイのうち一つを備えてい
    る、請求項２記載の高出力チャープパルス増幅装置。
  4. 【請求項４】前記コンプレッサーは、チャープされたブ
    ラッグ格子を含む、請求項３記載の高出力チャープパル
    ス増幅装置。
  5. 【請求項５】前記コンプレッサーは、ファイバー格子お
    よび回折格子の複合装置（ハイブリッド・コンビネーシ
    ョン）からなる、請求項３記載の高出力チャープパルス
    増幅装置。
  6. 【請求項６】前記回折格子は、透過回折格子からなる、
    請求項５記載の高出力チャープパルス増幅装置。
  7. 【請求項７】前記パワーアンプの前に配設されているプ
    リアンプを有し、 該プリアンプは、単一クラッド・ドープ・ファイバーと
    単一横モード・レーザーダイオード・ポンプとからな
    る、請求項３記載の高出力チャープパルス増幅装置。
  8. 【請求項８】前記クラッドファイバーは、中央コアがＹ
    ｂ／Ｅｒコドープファイバーである、請求項７記載の高
    出力チャープパルス増幅装置。
  9. 【請求項９】前記発生源は、調整可能な（チューナブ
    ル）レーザーダイオードからなる、請求項３記載の高出
    力チャープパルス増幅装置。
  10. 【請求項１０】前記出力増幅段に結合されている偏光ビ
    ームスプリッターを有し、 前記コンプレッサーは、該偏光ビームスプリッターの第
    １面に結合されており、 前記出力増幅段は、前記第１面に背向している第２面で
    前記偏光ビームスプリッターに結合されている、請求項
    １記載の高出力チャープパルス増幅装置。
  11. 【請求項１１】前記偏光ビームスプリッターと前記パワ
    ーアンプとの間に配設されている第１の波長板と、 前記コンプレッサーと前記偏光ビームスプリッターとの
    間に配設されている第２の波長板と、を備えている、請
    求項１０記載の高出力チャープパルス増幅装置。
  12. 【請求項１２】前記ポンプと前記二重クラッドファイバ
    ーとの間に配設されている二色鏡（ダイクロイック・ミ
    ラー）を備えている、請求項１１記載の高出力チャープ
    パルス増幅装置。
  13. 【請求項１３】前記プリアンプは、単一モードのドープ
    ファイバーとレーザーダイオードポンプとを備えてお
    り、 第１アイソレーターが、前記プリアンプ段の入力箇所に
    配設されており、 第２アイソレーターが、前記プリアンプ段の出力箇所に
    配設されている、請求項目１２記載の高出力チャープパ
    ルス増幅装置。
  14. 【請求項１４】前記二重クラッドファイバーは、中央コ
    アがＹｂ／Ｅｒコドープファイバーである、請求項１３
    記載の高出力チャープパルス増幅装置。
  15. 【請求項１５】前記発生源は、調整可能な（チューナブ
    ル）レーザーダイオードからなる、請求項１４記載の高
    出力チャープパルス増幅装置。
  16. 【請求項１６】前記二重クラッドファイバーは、中央コ
    アが単一ドープのファイバーである、請求項１３記載の
    高出力チャープパルス増幅装置。
  17. 【請求項１７】前記単一ドープファイバーは、フッ素ガ
    ラスファイバーである、請求項１３記載の高出力チャー
    プパルス増幅装置。
  18. 【請求項１８】分散補正ファイバーを備えている、請求
    項１記載の高出力チャープパルス増幅装置。
  19. 【請求項１９】レーザーパルス信号を、非線形効果の閾
    値未満の持続時間に圧縮するファイバー格子と、 前記パルス信号をさらに圧縮するために、該ファイバー
    格子で圧縮された前記パルス信号を受け入れる回折格子
    と、を備えている、レーザーパルス信号を圧縮するコン
    プレッサー。
  20. 【請求項２０】前記回折格子は、反射格子からなる、請
    求項１９記載のコンプレッサー。
  21. 【請求項２１】前記回折格子は、透過格子からなる、請
    求項１９記載のコンプレッサー。
  22. 【請求項２２】前記ファイバー格子と前記回折格子との
    間に配設されている偏光ビームスプリッターと、 前記偏光ビームスプリッターと前記ファイバー格子との
    間に配設されている波長板と、を備えている、請求項１
    ９記載のコンプレッサー。
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