特許 6202316 チャープパルス増幅装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6202316

(24)【登録日】2017年9月8日

(45)【発行日】2017年9月27日

(54)【発明の名称】チャープパルス増幅装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/10 20060101AFI20170914BHJP

【ＦＩ】

   H01S3/10 Z

【請求項の数】5

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2013-216504(P2013-216504)

(22)【出願日】2013年10月17日

(65)【公開番号】特開2015-79873(P2015-79873A)

(43)【公開日】2015年4月23日

【審査請求日】2016年7月29日

(73)【特許権者】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(72)【発明者】

【氏名】吉富 大

(72)【発明者】

【氏名】鳥塚 健二

【審査官】 島田 英昭

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００２−５０２０６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１２９１７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１６８６８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０２１７９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５１２６９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１５−５０３８４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１３１７７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１１４２６８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ３／００−３／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

発振器からのパルス光を延伸器、増幅器及び圧縮器を順次通過させパルスの時間幅を延伸した上で増幅し該時間幅を圧縮させて出力するチャープパルス増幅装置であって、
前記圧縮器は、物質分散を呈する材料からなり正多角形柱のバルク状の光学ブロックを含み、前記光学ブロックには前記パルス光の直進通過経路を少なくとも複数与えるとともに表面における反射を繰り返させて周回させ周回光路を与える一対の入力ポート及び出力ポートが与えられ、前記入力ポートは前記パルス光の入射角を変化させて前記周回光路の物理的距離を変化させて分散量を連続的に変化させて前記出力ポートから出力させて、前記延伸器及び前記増幅器において与えられる残留分散を補償することを特徴とするチャープパルス増幅装置。

【請求項2】

前記光学ブロックは正六角柱であることを特徴とする請求項１記載のチャープパルス増幅装置。

【請求項3】

前記表面における反射を繰り返させてらせん状に周回させることを特徴とする請求項１又は２に記載のチャープパルス増幅装置。

【請求項4】

前記増幅器は、フォトニック結晶ファイバからなることを特徴とする請求項３記載のチャープパルス増幅装置。

【請求項5】

前記延伸器は、前記圧縮器の前記物質分散とは符号の異なる物質分散を呈する材料からなるバルク状の光学ブロックを含み、前記パルス光の直進通過経路を少なくとも複数与えられていることを特徴とする請求項１乃至４のうちの１つに記載のチャープパルス増幅装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、チャープを制御しながら光パルスを増幅するパルス増幅装置に関し、特に、フェムト秒台の短パルス光であっても高い出力で増幅可能なチャープパルス増幅装置に関する。

【背景技術】

【0002】

「チャープパルス増幅法」は、発振器からの低出力の光パルスに対して延伸器で分散を与えて時間幅を一旦延伸しておいてから、レーザー利得媒質を含む増幅器で増幅を行って、圧縮器で延伸器と逆符号の分散を与えて光パルスの時間幅を圧縮して戻し、高出力の光パルスを得ようとする方法である。

【0003】

ここで、時間幅τ［ｓ］、エネルギーＥ［Ｊ］、ビーム断面積Ａ［ｃｍ²］の光パルスのピーク強度Ｉ［Ｗ／ｃｍ²］は、近似的に、Ｉ＝Ｅ／（τＡ）と表すことができる。つまり、チャープパルス増幅法において、延伸器で時間幅τを延伸しておくと、レーザー媒質中における光パルスのピーク強度Ｉを低減できるから、非線形効果によるレーザー媒質の破壊やパルス波形の歪みを抑制できるのである。

【0004】

非特許文献１及び２で述べられているように、チャープパルス増幅法では、一般的に、回折格子を平行配置して分散を制御する延伸器及び圧縮器の組み合わせが広く用いられている。ここで、増幅器の後段に配される圧縮器の回折格子では、増幅器で増幅された高い出力の光パルスに対して十分な耐性を有する高い破壊閾値が要求される。つまり、増幅器における増幅率を高くしようとすれば、回折格子には非常に特殊で高価なものを使用せざるを得ない。また、出力のエネルギー取出し効率において、回折効率による制限を受けてしまう。

【0005】

一方、特許文献１では、圧縮器に回折格子を使用しない「ダウンチャープパルス増幅法」なる方法を開示している。かかる増幅法では、物質分散を与える透明材料からなるバルク状の光学ブロックを含む素子を用いて、この中に光パルスを通過させて時間幅を圧縮させている。

【0006】

ここで、物質分散を与える素子として、ファイバのような線状体を利用することも考慮される。しかしながら、線状体のような小口径の素子では、例えば、上記したピーク強度Ｉの式からも判るように、入力ビームのビーム断面積Ａを小さくせざるを得ず、ピーク強度Ｉが大きくなって、非線形効果の影響を強く受けることとなる。そこで、大口径のビームを入力し通過させ得るバルク状の光学ブロックを含む素子を用いて、非線形効果を抑制することが好ましいのである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】米国特許７０７２１０１号公報

【非特許文献】

【0008】

【非特許文献1】H.Takada, M.Kakehata, K.Torizuka, “High-repetition-rate 12 fs pulse amplification by a Ti:sapphire regenerative amplifier system,”Optics Letters Vol.31, No.8, pp.1145-1147(2006).

【非特許文献2】F.Roser, T.Eidam, J.Rothardt, O.Schmidt, D.N.Schimpf, J.Limpert, A.Tunnermann, “Millijoule pulse energy high repetition rate femtosecond fiber chirped-pulse amplification system,” Optics Letters Vol.32, No.24, pp.3495-3497(2007).

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

短パルス光、特に、フェムト秒台の短パルス光では、非線形効果の影響をより強く受けることとなる。そこで、上記したように、バルク状の光学ブロックを含む素子を圧縮器などに用いたチャープパルス増幅装置が望まれる。一方で、光学ブロックを含む素子は、ファイバのような線状体を用いた素子に比べて大型化し、特に、線状体ではある程度の曲率で巻き取ることができるから、その差は大きくなってしまう。

【0010】

本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、フェムト秒台の短パルス光であっても高い出力で増幅可能でコンパクトなチャープパルス増幅装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明によるチャープパルス増幅装置は、発振器からのパルス光を延伸器、増幅器及び圧縮器を順次通過させパルスの時間幅を延伸した上で増幅し該時間幅を圧縮させて出力するチャープパルス増幅装置であって、前記圧縮器は、物質分散を呈する材料からなるバルク状の光学ブロックを含み、前記光学ブロックには前記パルス光の直進通過経路を少なくとも複数与えられていることを特徴とする。

【0012】

かかる発明によれば、コンパクトでありながらフェムト秒台の短パルス光であっても高い出力で増幅可能となるのである。また、透過損失の小さい透明材料を光学ブロックに用いることで、高効率な圧縮が可能である。

【0013】

上記した発明において、前記直進通過経路は、前記光学ブロックの表面における反射を繰り返して与えられることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、フェムト秒台の短パルス光であっても高い出力で増幅可能なチャープパルス増幅装置をよりコンパクトに得られるのである。

【0014】

上記した発明において、前記光学ブロックは、多角形柱からなることを特徴としてもよい。前記光学ブロックは、前記パルス光の入射角を変化させる制御ポートを設けられていることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、補償される分散量を変化させ得て、フェムト秒台の短パルス光であっても正確な分散補償を与えるのである。

【0015】

上記した発明において、前記直進通過経路は、前記光学ブロックからの前記パルス光の出射と入射とを繰り返して与えられることを特徴としてもよい。また、前記直進通過経路は、前記光学ブロックの表面に設けられた反射防止膜と、前記光学ブロックの外に設けられた反射鏡と、を介して与えられることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、簡単な構成でコンパクトでありながらフェムト秒台の短パルス光であっても高い出力で増幅可能となるのである。

【0016】

上記した発明において、前記延伸器は、前記圧縮器の前記物質分散とは符号の異なる物質分散を呈する材料からなるバルク状の光学ブロックを含み、前記パルス光の直進通過経路を少なくとも複数与えられていることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、フェムト秒台の短パルス光であっても高い出力で増幅可能でありながら動作安定性に優れるチャープパルス増幅装置をコンパクトに得られるのである。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】チャープパルス増幅装置の構成図である。

【図2】本発明のチャープパルス増幅装置の光学経路を示す平面図である。

【図3】本発明のチャープパルス増幅装置の二次分散の補償を示すグラフである。

【図4】本発明のチャープパルス増幅装置の圧縮器の光学経路を示す平面図である。

【図5】本発明のチャープパルス増幅装置の圧縮器の光学経路を示す平面図である。

【図6】本発明のチャープパルス増幅装置の圧縮器の光学経路を示す斜視図である。

【図7】図６の圧縮器の光学経路を示す平面図である。

【図8】圧縮器のN値と入射角及び光学材料の物性値に関する表である。

【図9】本発明のチャープパルス増幅装置の圧縮器の光学経路を示す平面図である。

【図10】本発明のチャープパルス増幅装置における圧縮器への入射角と光学経路を示す図である。

【図11】圧縮器への入射角と光路長の関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0018】

一般に、バルク状の光学ブロック（透明材料）の物質分散は回折格子の与え得る分散に比べて非常に小さい。すなわち、チャープパルス増幅装置において、光学ブロックを圧縮器に用いたときに補償し得る分散は小さいから、あらかじめ延伸器で付与する逆符号の分散も小さくしなければならず、延伸できる光パルスの時間幅は小さい。故に、増幅器のレーザー媒質中における光パルスの時間幅も短くなり、上記したピーク強度Ｉを求める式を参照すると、ピーク強度Ｉが大きくなってしまう。つまり、非線形効果の影響を強く受け、増幅媒質の破壊や光パルスの波形の劣化を生じさせやすく、増幅可能な出力を制限する要因となってしまう。そこで、本願発明者は、光学ブロックによって与えられる物質分散の量がこの内部の光路長に比例することに着目し、大きな分散を得るために光学ブロック内部に長尺の光路を与えることを考慮した。

【0019】

本発明の１つの実施例であるチャープパルス増幅装置について、図１乃至図５を用いて詳細を説明する。

【0020】

図１及び２に示すように、チャープパルス増幅装置１は、順次、光パルスを加工及び制御する、発振器１０、延伸器１２、増幅器１４及び圧縮器１６を含む。

【0021】

発振器１０は、低出力のパルス光を発生させ、短パルス光、特に、フェムト秒台の短パルス光をアイソレータ２１に通過させて後段の延伸器１２に送信する。例えば、非特許文献に開示のように、発振器１０は、パルス発振が可能なレーザー装置であって、中心波長１０４０ｎｍでパルス発振するモード同期Ｙｂファイバレーザーを用い得る。典型的には、中心波長１０４０ｎｍで利得を持つＹｂ添加ファイバを用いたリング型共振器で構成され、３枚の波長板により非線形偏波回転を利用して、受動モード同期を行い、パルス発振を行う。ここで、典型的な光パルスの繰り返し周波数として１１８ＭＨｚ、出力として８０ｍＷを採用した。

【0022】

延伸器１２は、発振器１０から導かれた低出力パルス光に分散を与えて光パルスの時間幅を延伸する。典型的には、パルス光を２つの平行配置した回折格子１２ａ間を往復させて分散を与える。ここでは、２つの回折格子１２ａ間の光学経路に折り返し鏡１３ａを与えている。

【0023】

延伸器１２の回折格子１２ａの溝本数は、典型的には、６００本／ｍｍであり、回折効率が最大となるリトロー角（入射角と回折角が等しくなる）に近くなるようにリトロー配置されている。回折格子１２ａのうちの一方は、可動ステージ１３ｂ上に載置され、２つの回折格子１２ａ間の距離を２２０〜２４０ｍｍの間で調整可能にしている。かかる調整によって、延伸器１２が与え得る二次分散値の範囲は、−３.５×１０⁵〜−３.８×１０⁵［ｆｓ²］で可変である。

【0024】

また、延伸器１２は、上記に限定されるものではない。例えば、チャープファイバブラッグ格子を用いて格子間隔をチャープさせることによって、ブラッグ格子で反射した光に分散を与えるものであってもよい。かかるチャープの向きを適切に設定することにより、反射光に負の分散を与えることが可能である。

【0025】

増幅器１４は、延伸器１２において時間幅を延伸された光パルスをレーザー利得媒質によって増幅し高出力化し、レンズ対からなる望遠鏡光学系２３を通過させて光ビームの発散角と口径を調整した後、これを圧縮器１６に送信する。

【0026】

増幅器１４は、典型的には、Ｙｂファイバレーザー増幅器を用い得る。利得ファイバ１４ａとしては、偏波保持型のダブルクラッドファイバを用い得る。コア径の大きいフォトニック結晶ファイバを用いることで、非線形効果をより抑制することができて好ましい。例えば、励起光は半導体レーザー１４ｂによって供給され、ダイクロイックミラー１４ｃとレンズ１４ｄとを介してファイバ１４ａの励起クラッドに入射され、励起クラッドからコアに入ると、コア中のＹｂイオンを励起し、増幅されるのである。かかるダイクロイックミラー１４ｃは、増幅波長帯１０２０〜１１００ｎｍを透過し、励起波長９７６ｎｍを反射するように設計されている。

【0027】

圧縮器１６は、増幅器１４で増幅された高出力光パルスを光学ブロック（透明材料）１６ａを通過させて物質分散を与え、延伸器１２で付与された分散を補償、つまり、光パルスの時間幅を圧縮する。なお、発振器１０及び増幅器１４においても分散が与えられる場合にあっては、これらの分散と延伸器１２の分散とを合わせた合計の分散を圧縮器１６で補償して、チャープパルス増幅装置１全体の残留分散をゼロにすることが好ましい。

【0028】

圧縮器１６は、光学ブロック１６ａの両側に全反射鏡１７を離間して設置し、この間に光パルスを繰り返し反射させることで、光学ブロック１６ａ内のパルス光の直進通過経路を少なくとも複数与え、光路長を長尺化している。

【0029】

ところで、パルスレーザーの波長に対する長さ１ｍｍあたりの二次分散の概算値、すなわち単位長さあたりの二次分散をｄ［ｆｓ²/ｍｍ］とする。バルク状の光学ブロック１６ａ内部を通過する光路の物理長をＬ［ｍｍ］とすると、かかる光学ブロック１６ａにより与えられる二次分散Ｄ［ｆｓ²］は、単位長さあたりの二次分散ｄ［ｆｓ²/ｍｍ］と、光路の物理長Ｌ［ｍｍ］との積で表される。つまり、光学ブロック１６ａで与えられる分散量は光路長に比例して大きくなる。そこで、圧縮器１６では、バルク状の光学ブロック１６ａの内部のパルス光の直進通過経路を少なくとも複数与えて、その内部を通過する光路長を長尺化しているのである。

【0030】

また、光学ブロック１６ａの両端面に反射防止コーティング１６ｂを施すことにより、光学ブロック１６ａの端面におけるフレネル反射損失を著しく抑制することが可能である。反射防止コーティング１６ｂは、必須ではないが、一般に、分散の大きい光学材料ではその屈折率も大きいため、フレネル反射損失が大きくなる傾向があり、圧縮器１６における高効率な圧縮を実現したい場合には好ましい。

【0031】

典型例として、光学ブロック１６ａは、長さ２５ｃｍのショット社製のＳＦ５７ガラスからなる。発振器１０及び増幅器１４に波長１０４０ｎｍのＹｂファイバレーザーを用いたため、反射防止コーティング１６ｂは波長１０００〜１１００ｎｍに対する反射防止膜を、全反射鏡１７は同波長範囲に対する全反射誘電体多層膜鏡を用いた。なお、図２では、全反射鏡１７による反射を利用して、パルス光が光学ブロック１６ａ内を直線通過経路で７パスしている。これにより、長さ２５×７＝１７５ｃｍのガラスに相当する物質分散を与えることが可能である。ＳＦ５７ガラスの波長１０４０ｎｍ光に対する二次分散の値は、概ね、ｄ＝１５０［ｆｓ²/ｍｍ］であるから、圧縮器１６によって付与される二次分散の値は、Ｄ＝２.６×１０⁵［ｆｓ²］となる。また、発振器１０及び増幅器１４やその他の光学系において生じる二次分散値は、典型的には１.１×１０⁵［ｆｓ²］と見積もられ、上記した延伸器によって与えうる二次分散値と合わせると、増幅装置１全体の二次分散の合計をゼロに調整することが可能となる。

【0032】

図３には、増幅出力３Ｗで圧縮器１６から出力される光パルスの時間幅の測定結果を示した。なお、延伸器１２の２つの回折格子１２ａの間隔は可動ステージ１３ｂの調整により、光パルス幅が最も短くなるように最適化している。実線は測定された自己相関波形であり、一般的な波形の相関因子の値１.５を仮定すれば、実測パルス幅（半値全幅）は、１７０［ｆｓ］である。一方、点線は測定スペクトルのフーリエ変換から得られるフーリエ限界パルス（パルス幅１５０［ｆｓ］）である。実線と点線の波形がほぼ一致することから、圧縮器１６が二次分散を正しく補償し、フーリエ限界に近いパルス幅を得ることが可能であることを示している。

【0033】

なお、上記において、発振器１０として、中心波長１５５０ｎｍのＥｒファイバレーザーモード同期発振器を用いることもできる。かかる波長域では、石英及びＢＫ７の二次分散値は負である。延伸器１２として、波長１５５０ｎｍ帯で正の二次分散を有する正常分散ファイバを用いて、発振器１０からの出力パルスに対して、正の二次分散を与える。増幅器１４には、利得ファイバとしてＥｒイオンとＹｂイオンが共添加されたファイバを用いたＥｒ−Ｙｂファイバレーザー増幅器を用いる。延伸器１２から出力され、時間的に延伸されたパルスをアイソレータ２１に通過させた後、増幅器１４で増幅するのである。圧縮器１６は、バルク状の光学ブロック１６ａとして石英又はＢＫ７を用いる。増幅された高出力パルス光を圧縮器１６に入れると、石英又はＢＫ７により負の二次分散が与えられ、あらかじめ延伸器１２で付与された正の二次分散が補償され、パルス圧縮を行うことができるのである。

【0034】

また、図４及び図５には、上記した圧縮器１６に対する他の圧縮器３６及び４６を示した。

【0035】

図４では、光学ブロック３６ａの両端面に誘電体多層膜若しくは金属膜からなる全反射コーティング３７を付与した。また、光学ブロック３６ａの両端面の一部には、入力ポート３８及び出力ポート３９を与え、かかる部分には、反射防止コーティングを与えた。つまり、一旦、入力ポート３８から光学ブロック３６ａに入射したパルス光はこれから外に出射することなく、光学ブロック３６ａの部で多重反射をした後、出力ポート３９から出射されるのである。これにより、バルク状の光学ブロック３６ａの内部のパルス光の直進通過経路を少なくとも複数与え得るのである。また、図４では、全反射コーティング３７による反射によりパルス光が光学ブロック３６ａ内を直線通過経路で７パスしているが、後述するように、光学ブロック３６ａへの入射角を変えることで、直線通過経路の往復回数を調整できる。

【0036】

また、図５には、光学ブロック４６ａの両側にこれから離間させて全反射鏡４７を配置するが、光学ブロック４６ａの両端面に反射防止コーティングを付与せず、パルス光をブリュースター角で入射させる。つまり、入射角θ_Bで入射したｐ偏光に対して、
ｔａｎθ_B＝ｎ₂／ｎ₁
の式が成立し、ブリュースター角で入射させると反射率がゼロとなることが知られている。但し、ｎ₁、ｎ₂はそれぞれ入射側及び出射側の媒質の屈折率である。

【0037】

例えば、外部の空気中から光学ブロック４６ａの内部に光が入射する場合、及び、光学ブロック４６ａから空気中へ光が出射する場合の角度を上記入射角θ_Bの式を満たすように設定すると、光線がｐ偏光であれば、入射面及び出射面において、反射損失を著しく抑制することができる。具体的には、ＳＦ５７ガラスを用いた場合、波長１０４０ｎｍに対する屈折率は１.８１であるから、空気側の入射角を６１.１度となるように光学ブロック４６ａを配置すると、反射損失を少なくできる。また、光学ブロック４６ａの両端面を平行にしておくと、光学ブロック４６ａから出射する際の出射角もブリュースター角となるのである。つまり、反射防止コーティングを必要とせずとも、反射損失を十分抑制できるのである。

【0038】

以上述べてきたように、本実施例によれば、高出力短パルスレーザー装置として、熱的影響の少ないことを求められる精密加工や患部へのダメージの少ないことを求められる医療手術に効果的である。また、比較的簡単な構成であるので、高出力短パルスレーザー装置を低価格で提供できるのである。

【0039】

続いて、以下には、上記した圧縮器１６に対する他の圧縮器２６を用いた実施例を示す。なお、チャープパルス増幅装置１を構成する発振器１０、延伸器１２、増幅器１４は、特に断りのない限り上記したものと同様であり、また限定されるものでもない。

【0040】

図６に示すように、圧縮器２６は、光学ブロック２６ａ内部の全反射を利用してパルス光をこの中に閉じ込め、直進通過経路を少なくとも複数与えて光路長の長尺化を行って、二次分散を補償する。光学ブロック２６ａから屈折して外部へ出射するパルス光が存在しないため、パルスエネルギーの損失を抑制できる。図では、正六角柱の光学ブロック２６ａからなる圧縮器２６を示したが、正Ｎ角形（Ｎは３以上の整数）の底面を持つ柱状体であればよい。また、ここではガラス材料を用いたが、適宜、各種光学材料を用い得る。

【0041】

光学ブロック２６ａの上部近傍の入光箇所Ｐ１には、光学ブロック２６ａに凸部入力ポート２７を与え、若しくは、図７（ａ）の右下円内に示すように、光学ブロック２６ａを切削し凹部入力ポート２７’を与え、入力光が直入射となる入力面２７ａを与える。また、入力面２７ａには適宜、反射防止コーティングをしておくと、フレネル反射損失を防止できて好ましい。若しくは、上記したブリュースター角で入光できるようにして、ｐ偏光の光に対して反射を防止するようにしてもよい。光学ブロック２６ａの下部近傍の出光箇所Ｐ２には、出力ポート２８を与え、これは、入力ポート２７と同様に形成される。

【0042】

図７（ａ）を併せて参照すると、光学ブロック２６ａを鉛直方向上部から見ると、辺ＡＢの中点Ｐの入光箇所Ｐ１より入力されたパルス光は、点Ｑにおいて反射して、更に隣の辺の中点Ｒに向かい、同様に各辺の中点において反射を繰り返し、正Ｎ角柱の光学ブロック２６ａ内部を周回する。入光箇所Ｐ１から入力光を水平方向から少しだけ鉛直方向の上又は下に傾けて入力させると、正Ｎ角形内部を１周した後に、光は入力点Ｐよりも鉛直方向のやや上又は下に位置する点に戻ってくる。なお、図７（ａ）は、下方に傾けた場合を示している。つまり、パルス光は、光学ブロック２６ａ内部をらせん状に周回し、正Ｎ角形内部を何周か周回した後に到達した点に出力ポート２８が設けられていると、光学ブロック２６ａから外へパルス光を出力することが可能である。

【0043】

ここで、Ｎ角柱の光学ブロック２６ａの辺の中点で反射する際の入射角θは、θ＝９０度−１８０度／Ｎで表される。図８（ａ）に、Ｎ＝９までの入射角の値を表した。つまり、図８（ｂ）の臨界角の値を参照すると、例えば、波長１０４０ｎｍの光を用いた場合には、入射角が臨界角以上であるという全反射条件を満たすためには、ＳＦ５７、ＳＦ６、石英、ＢＫ７の４種類のガラス体において、Ｎ≧４、つまり、正四角柱以上の正Ｎ角柱であればよいことになる。図７（ｂ）には、ＳＦ５７において、波長１０４０ｎｍの光に対して、光路を計算した例を示した。

【0044】

また、図９（ａ）には、上記した正六角柱の光学ブロック２６ａから辺の長さを５％程度変化させた不等辺六角柱を用いて図７（ｂ）と同様に計算した結果を示した。光学ブロック２６ａの断面の多角形の辺を不等辺にすることで、入光箇所Ｐ１からの光路の位置が周回ごとにわずかに変化する。ここでは６周した後に全反射条件を満たさない面に到達し出光箇所Ｐ２が与えられる。これによれば、出力ポート２８（図６及び７参照）のような特別な形状の加工などを出光箇所Ｐ２に与える必要とすることなしに光学ブロック２６ａから光を出射できる。

【0045】

また、図９（ｂ）には、不等辺六角柱へのパルス光の入射を直角入射面によって行っている。かかる場合、入力ポート２７（図６及び７参照）のような特別な形状の加工を入光箇所Ｐ１に与える必要がない。光学ブロック２６ａの断面の多角形の辺を不等辺にすることで、直線通過経路（光路位置）が周回ごとにわずかに変化し、２周半の後に全反射条件を満たさない面に到達し出光箇所Ｐ２が与えられる。これによれば、入力ポート２７だけでなく、出力ポート２８についても特別な形状の加工などを必要としないのである。

【0046】

以上のように、光学ブロック２６ａは正多角柱だけでなく、内部で全反射条件を満たせば、必ずしも、正多角柱である必要はなく、各辺の中点から入力する必要もない。

【0047】

図１０は、正六角柱の光学ブロック２６ａの辺の中点の入光箇所Ｐ１において、入射角を変化させたときの光路を示した。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、それぞれ入射角を５９度及び６１度に変化させたときの光路の計算結果である。光路長は、入射角に対応して連続的に変化する。

【0048】

図１１には、光路の物理的距離の入射角依存性を示した。なお、光路の物理的距離の値は、正六角柱の光学ブロック２６ａの辺の長さを１００として、これに対する数値（比）で表記した。これから判るように、入光箇所Ｐ１に制御ポートを設けて入射角をわずかに変化させることで、圧縮器２６が与える分散量を連続的に変化させ得る。かかる分散量調整機構によって、チャープパルス増幅装置１の全体の残留分散量を正確にゼロにすることが可能となる。

【0049】

ところで、上記した圧縮器１６（２６，３６，４６）において、光学ブロック１６ａ（２６ａ，３６ａ，４６ａ）と逆符号の分散を与える光学材料からなる光学ブロックを用いて、直進通過経路を少なくとも複数与えて光路長の長尺化を行った延伸器１２を与えることもできる。かかる延伸器は、上記した圧縮器１６（２６，３６，４６）と同様に利点を有し、例えば、分散量調整機構などを与え得る。つまり、これを用いたチャープパルス増幅装置では、全体の残留分散量を正確にゼロにできて、フェムト秒台の短パルス光であっても高い出力で増幅可能でありながら動作安定性により優れるものとできる。

【0050】

ここまで本発明による代表的実施例及びこれに基づく改変例について説明したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではない。当業者であれば、添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例を見出すことができるだろう。

【符号の説明】

【0051】

１ チャープパルス増幅装置
１０ 発振器
１２ 延伸器
１２ａ 回折格子
１４ 増幅器
１４ａ 利得ファイバ
１４ｂ 半導体レーザー
１４ｃ ダイクロイックミラー
１４ｄ レンズ
１６，２６，３６，４６ 圧縮器
１６ａ ，２６ａ ，３６ａ，４６ａ 光学ブロック
２３ 望遠鏡光学系

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】