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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2025016780
(43)【公開日】2025-02-04
(54)【発明の名称】光学パラメトリックチャープパルス増幅器
(51)【国際特許分類】
G02F 1/39 20060101AFI20250128BHJP
G02F 1/37 20060101ALI20250128BHJP
【ＦＩ】
G02F1/39
G02F1/37
【審査請求】有
【請求項の数】1
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2024195968
(22)【出願日】2024-11-08
(62)【分割の表示】P 2022510814の分割
【原出願日】2020-08-10
(31)【優先権主張番号】16/546,178
(32)【優先日】2019-08-20
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】512095392
【氏名又は名称】コヒレント， インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100078282
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 秀策
(74)【代理人】
【識別番号】100113413
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 夏樹
(74)【代理人】
【識別番号】100181674
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 貴敏
(74)【代理人】
【識別番号】100181641
【弁理士】
【氏名又は名称】石川 大輔
(74)【代理人】
【識別番号】230113332
【弁護士】
【氏名又は名称】山本 健策
(72)【発明者】
【氏名】ドミトリー シマノフスキー
(72)【発明者】
【氏名】ノーマン ホジソン
(57)【要約】
【課題】光学パラメトリックチャープパルス増幅器の提供。
【解決手段】本発明は、概して、光学パラメトリックチャープパルス増幅器に関する。光学パラメトリックチャープパルス増幅器は、拡張信号ビームを連続的に増幅させる第１の光学パラメトリック増幅器段および第２の光学パラメトリック増幅器段を含む。パルスレーザは、基本ビームを提供する。第２の増幅器段は、基本ビームから発生される第２高調波ビームの完全電力によって励起される。残留基本ビームは、第１の増幅器段を励起する別の第２高調波ビームを発生させるために使用される。
【選択図】図１
【解決手段】本発明は、概して、光学パラメトリックチャープパルス増幅器に関する。光学パラメトリックチャープパルス増幅器は、拡張信号ビームを連続的に増幅させる第１の光学パラメトリック増幅器段および第２の光学パラメトリック増幅器段を含む。パルスレーザは、基本ビームを提供する。第２の増幅器段は、基本ビームから発生される第２高調波ビームの完全電力によって励起される。残留基本ビームは、第１の増幅器段を励起する別の第２高調波ビームを発生させるために使用される。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
本明細書に記載の発明。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
（優先権）
本願は、２０１９年８月２０日に出願された米国特許出願第１６／５４６，１７８号に対する優先権を主張し、その開示は、その全体として本明細書に援用される。
本願は、２０１９年８月２０日に出願された米国特許出願第１６／５４６，１７８号に対する優先権を主張し、その開示は、その全体として本明細書に援用される。
【0002】
（発明の技術分野）
本発明は、概して、光学パラメトリックチャープパルス増幅器に関する。本発明は、特に、多段光学パラメトリックチャープパルス増幅器のための光学励起方法および装置に関する。
本発明は、概して、光学パラメトリックチャープパルス増幅器に関する。本発明は、特に、多段光学パラメトリックチャープパルス増幅器のための光学励起方法および装置に関する。
【背景技術】
【0003】
背景技術の議論
光学パラメトリック増幅において、差周波数発生のために配列される光学的に非線形の結晶は、パルスレーザ放射線のビームの増幅を提供するために使用される。パルス化される「励起ビーム」およびより短い波長のパルス化される「信号ビーム」は、非線形結晶を通してともに伝搬する。差周波数発生は、励起ビームの光子を信号ビームの光子および「アイドラビーム」の光子に変換する。アイドラ光子のエネルギーは、励起光子と信号光子との間のエネルギーの差である。電力は、励起ビームから信号ビームおよびアイドラビームに転換され、光子を信号ビーム内に追加し、それによって、信号ビームを増幅させる。各励起光子が１つの信号光子および１つのアイドラ光子に完全に変換されるため、非線形結晶は、光学パラメトリック増幅プロセスによって有意に加熱されない。
光学パラメトリック増幅において、差周波数発生のために配列される光学的に非線形の結晶は、パルスレーザ放射線のビームの増幅を提供するために使用される。パルス化される「励起ビーム」およびより短い波長のパルス化される「信号ビーム」は、非線形結晶を通してともに伝搬する。差周波数発生は、励起ビームの光子を信号ビームの光子および「アイドラビーム」の光子に変換する。アイドラ光子のエネルギーは、励起光子と信号光子との間のエネルギーの差である。電力は、励起ビームから信号ビームおよびアイドラビームに転換され、光子を信号ビーム内に追加し、それによって、信号ビームを増幅させる。各励起光子が１つの信号光子および１つのアイドラ光子に完全に変換されるため、非線形結晶は、光学パラメトリック増幅プロセスによって有意に加熱されない。
【0004】
従来の光学利得媒体内にあるが、非線形結晶内にエネルギー貯蔵はない。故に、増幅プロセスの最適効率のために、励起ビームおよび信号ビームのパルス持続時間は、緊密に合致されるべきであり、パルスは、時間的に重複するべきである。光学パラメトリック増幅は、わずか数ミリメートル（ｍｍ）の長さである非線形結晶における数桁の大きさの光学利得を提供することができる。この比較的に高い利得とは、大部分の場合、２つ以下の増幅段が要求されることを意味する。
【0005】
光学パラメトリックチャープパルス増幅は、超短パルスレーザ放射線のビームを増幅させるために使用される。超短パルスレーザビームは、広スペクトル帯域幅を有する。例えば、パルスは、３００フェムト秒（ｆｓ）未満の持続時間および３ナノメートル（ｎｍ）を上回る対応するスペクトル帯域幅を有する。チャープパルス光学パラメトリック増幅では、増幅の間、光学損傷閾値を下回る信号ビームのピーク強度を維持するために、信号ビーム内のパルスは、増幅に先立って時間的に拡張される。特に、非線形結晶の光学損傷閾値を下回ってピーク強度を維持する。信号パルスを１桁ナノ秒の持続時間に拡張することは、はるかにより高い励起パルスエネルギーを印加することを可能にし、したがって、はるかにより高い増幅された信号パルスエネルギーを取得する。増幅後、信号パルスは、時間的に圧縮されることができ、それによって、高パルスエネルギーと高ピーク電力とを有する超短増幅信号パルスを生産する。
【0006】
信号パルスを拡張することはまた、超短励起パルスを使用して超短信号パルスに合致させる必要を排除する。強力かつ比較的に単純なレーザは、ナノ秒励起パルスの励起ビームを提供することができる。例えば、ダイオード励起式Ｑスイッチソリッドステートレーザは、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）またはイットリウムオルトバナジン酸塩（ＹＶＯ４）等のネオジム（Ｎｄ３＋）またはイッテルビウム（Ｙｂ３＋）でドープされた利得媒体を有する。典型的には、これらのレーザは、約９５０ｎｍ～１，１００ｎｍの電磁スペクトルの近赤外線領域内の波長を有する「基本ビーム」を送達する。光学パラメトリック増幅のために励起パルスとして使用されるべき十分に短波長を有するパルスを提供するために、近赤外線基本ビームは、基本ビームの波長の２分の１である波長を有する「第２高調波ビーム」に変換されなければならない。例えば、第２高調波ビームは、電磁スペクトルの可視の領域内に約４７５ｎｍ～５５０ｎｍの波長を有する。別の光学的に非線形の結晶は、第２高調波ビームを基本ビームから発生させるために使用される。
【0007】
典型的従来技術の２段光学パラメトリックチャープパルス増幅配列では、第２高調波ビームは、より高い電力ビームおよびより低い電力ビームに分割される。第２高調波ビームに変換されないわずかな基本ビームは、破棄される。より低い電力ビームは、第１段の増幅器を励起するために使用され、より高い電力ビームは、第２段の増幅器を励起するために使用される。第２高調波ビームの約８０％は、より高い電力ビームに指向され、第２高調波ビームの約２０％は、より低い電力ビームに指向される。８０％対２０％の電力比率が、典型的であるが、他の電力比率も、ビーム分割要素の適した仕様によって提供されることができる。チャープ信号ビームは、第１段および第２段の増幅器において連続的に増幅される。光学パラメトリックチャープパルス増幅器のための設計基準の広範囲の詳細な説明は、解説記事「Ｄｅｓｉｇｎ ｃｒｉｔｅｒｉａ ｆｏｒ ｕｌｔｒａｆａｓｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ」（Ｃ． Ｍａｎｚｏｎｉ ａｎｄ Ｇ． Ｃｅｒｕｌｌｏ， Ｊ． Ｏｐｔ． １８（２０１６）１０３５０１）において提供される。
【0008】
従来技術の配列の有意な欠点は、第２高調波ビームへの基本ビームの効率変換が、せいぜい約５０％であることである。ビームが非線形結晶を通して伝搬するにつれて、増幅されている信号ビームのスペクトル帯域幅によって、かつ時間的「ウォークオフ」によって、この変換効率は、限定される。両方の限界は、非線形結晶長さを数ミリメートル以下に制約する。基本ビームにおいて電力のかなりの無駄が存在する。電力を基本ビームからより高い全体的効率を伴う信号ビームに転換する多段光学パラメトリックチャープパルス増幅器の必要性が存在する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0009】
【非特許文献1】「Ｄｅｓｉｇｎ ｃｒｉｔｅｒｉａ ｆｏｒ ｕｌｔｒａｆａｓｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ」（Ｃ． Ｍａｎｚｏｎｉ ａｎｄ Ｇ． Ｃｅｒｕｌｌｏ， Ｊ． Ｏｐｔ． １８（２０１６）１０３５０１）
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0010】
一側面では、本発明による光学増幅器装置は、基本レーザ放射線のビームを発生させるパルスレーザを備える。第１の光学的に非線形の結晶は、基本ビームを第２高調波レーザ放射線の第１のビームに部分的に変換し、未変換基本レーザ放射線の残留ビームを残す。第２の光学的に非線形の結晶は、残留基本ビームを第２高調波レーザ放射線の第２のビームに部分的に変換する。第１の光学パラメトリック増幅器段は、第２の第２高調波ビームによって光学的に励起され、信号ビームを増幅させるように配列される。第２の光学パラメトリック増幅器段は、第１の第２高調波ビームによって光学的に励起され、信号ビームをさらに増幅させるように配列される。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
光学増幅器であって、
基本レーザ放射線のビームを発生させるパルスレーザと、
前記基本ビームを第２高調波レーザ放射線の第１のビームに部分的に変換し、未変換基本レーザ放射線の残留ビームを残す第１の光学的に非線形の結晶と、
前記残留基本ビームを第２高調波レーザ放射線の第２のビームに部分的に変換する第２の光学的に非線形の結晶と、
前記第２の第２高調波ビームによって光学的に励起され、信号ビームを増幅させるように配列される第１の光学パラメトリック増幅器段と、
前記第１の第２高調波ビームによって光学的に励起され、前記信号ビームをさらに増幅させるように配列される第２の光学パラメトリック増幅器段と
を備える、光学増幅器。
（項目２）
前記第１の増幅器段で増幅された前記信号ビームは、短パルスレーザによって発生され、パルスストレッチャによって拡張される、項目１に記載の光学増幅器。
（項目３）
前記パルスレーザおよび前記短パルスレーザにおけるパルス発生は、前記第１の増幅器段において、前記第２の第２高調波ビームのパルスおよび前記信号ビームのパルスを時間的に重複させるように同期される、項目２に記載の光学増幅器。
（項目４）
前記第２の増幅器段において、前記第１の第２高調波ビームのパルスおよび前記信号ビームのパルスを時間的に重複させるように配列される光学遅延をさらに含む、項目１に記載の光学増幅器。
（項目５）
前記第２の光学増幅器からの前記増幅された信号ビームは、前記増幅された信号ビームを時間的に圧縮するように配列されるパルスコンプレッサの中に指向される、項目１に記載の光学増幅器。
（項目６）
前記第１および第２の非線形結晶は、三ホウ酸リチウムまたはベータホウ酸バリウムから作製される、項目１に記載の光学増幅器。
（項目７）
前記第１および第２の増幅器段は、ベータホウ酸バリウムから作製される非線形結晶の形態にある、項目１に記載の光学増幅器。
（項目８）
前記第２の第２高調波ビームのパルスは、前記第１の第２高調波ビームのパルスより長い持続時間を有する、項目１に記載の光学増幅器。
（項目９）
前記基本ビームは、約９５０ナノメートル～約１，１００ナノメートルの波長を有する、項目１に記載の光学増幅器。
（項目１０）
前記基本ビームは、約１，０３０ナノメートルの波長を有する、項目９に記載の光学増幅器。
（項目１１）
光学増幅器であって、
信号ビームを受け取り、前記信号ビームを増幅させるように配列される第１の光学パラメトリック増幅器段と、
前記増幅された信号ビームを受け取り、前記信号ビームをさらに増幅させるように配列される第２の光学パラメトリック増幅器段と、
基本レーザ放射線のビームを発生させるパルスレーザと、
前記基本ビームを第２高調波レーザ放射線の第１のビームに部分的に変換し、未変換基本レーザ放射線の残留ビームを残す第１の光学的に非線形の結晶であって、前記第１の第２高調波ビームは、前記第２の増幅器段に送達される、第１の光学的に非線形の結晶と、
前記残留基本ビームを第２高調波レーザ放射線の第２のビームに部分的に変換する第２の光学的に非線形の結晶であって、前記第２の第２高調波ビームは、前記第１の増幅器段に送達される、第２の光学的に非線形の結晶と、
前記第１の非線形結晶と前記第２の増幅器段との間に位置する光学遅延であって、前記光学遅延は、前記増幅された信号ビームのパルスおよび前記第１の第２高調波ビームのパルスが、前記第２の増幅器段において時間的に重複するように、配列される、光学遅延と
を備え、
前記基本ビームのパルスおよび前記信号ビームのパルスの発生は、前記第１の増幅器段において、前記第２の第２高調波ビームのパルスおよび前記信号ビームのパルスに時間的を重複させるように同期される、光学増幅器。
（項目１２）
前記第１の増幅器において増幅された前記信号ビームは、短パルスレーザによって発生され、パルスストレッチャによって拡張される、項目１に記載の光学増幅器。
（項目１３）
前記第２の光学増幅器からの前記増幅された信号ビームは、前記増幅された信号ビームを時間的に圧縮するように配列されるパルスコンプレッサの中に指向される、項目１に記載の光学増幅器。
（項目１４）
前記第１および第２の非線形結晶は、三ホウ酸リチウムまたはベータホウ酸バリウムから作製される、項目１に記載の光学増幅器。
（項目１５）
前記第１および第２の増幅器段は、ベータホウ酸バリウムから作製される非線形結晶の形態にある、項目１に記載の光学増幅器。
（項目１６）
前記第２の第２高調波ビームのパルスは、前記第１の第２高調波ビームのパルスより長い持続時間を有する、項目１に記載の光学増幅器。
（項目１７）
前記基本ビームは、約９５０ナノメートル～約１，１００ナノメートルの波長を有する、項目１に記載の光学増幅器。
（項目１８）
前記基本ビームは、約１，０３０ナノメートルの波長を有する、項目１７に記載の光学増幅器。
（項目１９）
信号ビームを増幅させる方法であって、
基本レーザ放射線のビームを発生させるステップと、
前記基本ビームの一部を第２高調波レーザ放射線の第１のビームに変換し、未変換基本レーザ放射線の残留ビームを残すステップと、
前記残留基本ビームの一部を第２高調波レーザ放射線の第２のビームに変換するステップと、
前記第２の第２高調波ビームを第１の光学パラメトリック増幅器段に指向するステップであって、前記第１の光学パラメトリック増幅器段は、それによって光学的に励起され、前記信号ビームを増幅させるように配列される、ステップと、
前記第１の第２高調波ビームを第２の光学パラメトリック増幅器段に指向するステップであって、前記第２の光学パラメトリック増幅器段は、それによって光学的に励起され、前記信号ビームをさらに増幅させるように配列される、ステップと
を含む、方法。
（項目２０）
前記信号ビームは、パルス化され、前記信号ビームのパルスは、前記第１の光学パラメトリック増幅器段における増幅に先立って拡張され、前記信号ビームのパルスは、前記第２の光学パラメトリック増幅器段における増幅後に圧縮される、項目１９に記載の方法。
（項目２１）
前記信号ビームおよび前記基本ビームは、パルス化され、前記信号ビームパルスおよび前記基本ビームパルスの発生は、前記第１のパラメトリック増幅器段において、前記第２の第２高調波ビームのパルスおよび前記信号ビームのパルスを時間的に重複させるように同期される、項目１９に記載の方法。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
光学増幅器であって、
基本レーザ放射線のビームを発生させるパルスレーザと、
前記基本ビームを第２高調波レーザ放射線の第１のビームに部分的に変換し、未変換基本レーザ放射線の残留ビームを残す第１の光学的に非線形の結晶と、
前記残留基本ビームを第２高調波レーザ放射線の第２のビームに部分的に変換する第２の光学的に非線形の結晶と、
前記第２の第２高調波ビームによって光学的に励起され、信号ビームを増幅させるように配列される第１の光学パラメトリック増幅器段と、
前記第１の第２高調波ビームによって光学的に励起され、前記信号ビームをさらに増幅させるように配列される第２の光学パラメトリック増幅器段と
を備える、光学増幅器。
（項目２）
前記第１の増幅器段で増幅された前記信号ビームは、短パルスレーザによって発生され、パルスストレッチャによって拡張される、項目１に記載の光学増幅器。
（項目３）
前記パルスレーザおよび前記短パルスレーザにおけるパルス発生は、前記第１の増幅器段において、前記第２の第２高調波ビームのパルスおよび前記信号ビームのパルスを時間的に重複させるように同期される、項目２に記載の光学増幅器。
（項目４）
前記第２の増幅器段において、前記第１の第２高調波ビームのパルスおよび前記信号ビームのパルスを時間的に重複させるように配列される光学遅延をさらに含む、項目１に記載の光学増幅器。
（項目５）
前記第２の光学増幅器からの前記増幅された信号ビームは、前記増幅された信号ビームを時間的に圧縮するように配列されるパルスコンプレッサの中に指向される、項目１に記載の光学増幅器。
（項目６）
前記第１および第２の非線形結晶は、三ホウ酸リチウムまたはベータホウ酸バリウムから作製される、項目１に記載の光学増幅器。
（項目７）
前記第１および第２の増幅器段は、ベータホウ酸バリウムから作製される非線形結晶の形態にある、項目１に記載の光学増幅器。
（項目８）
前記第２の第２高調波ビームのパルスは、前記第１の第２高調波ビームのパルスより長い持続時間を有する、項目１に記載の光学増幅器。
（項目９）
前記基本ビームは、約９５０ナノメートル～約１，１００ナノメートルの波長を有する、項目１に記載の光学増幅器。
（項目１０）
前記基本ビームは、約１，０３０ナノメートルの波長を有する、項目９に記載の光学増幅器。
（項目１１）
光学増幅器であって、
信号ビームを受け取り、前記信号ビームを増幅させるように配列される第１の光学パラメトリック増幅器段と、
前記増幅された信号ビームを受け取り、前記信号ビームをさらに増幅させるように配列される第２の光学パラメトリック増幅器段と、
基本レーザ放射線のビームを発生させるパルスレーザと、
前記基本ビームを第２高調波レーザ放射線の第１のビームに部分的に変換し、未変換基本レーザ放射線の残留ビームを残す第１の光学的に非線形の結晶であって、前記第１の第２高調波ビームは、前記第２の増幅器段に送達される、第１の光学的に非線形の結晶と、
前記残留基本ビームを第２高調波レーザ放射線の第２のビームに部分的に変換する第２の光学的に非線形の結晶であって、前記第２の第２高調波ビームは、前記第１の増幅器段に送達される、第２の光学的に非線形の結晶と、
前記第１の非線形結晶と前記第２の増幅器段との間に位置する光学遅延であって、前記光学遅延は、前記増幅された信号ビームのパルスおよび前記第１の第２高調波ビームのパルスが、前記第２の増幅器段において時間的に重複するように、配列される、光学遅延と
を備え、
前記基本ビームのパルスおよび前記信号ビームのパルスの発生は、前記第１の増幅器段において、前記第２の第２高調波ビームのパルスおよび前記信号ビームのパルスに時間的を重複させるように同期される、光学増幅器。
（項目１２）
前記第１の増幅器において増幅された前記信号ビームは、短パルスレーザによって発生され、パルスストレッチャによって拡張される、項目１に記載の光学増幅器。
（項目１３）
前記第２の光学増幅器からの前記増幅された信号ビームは、前記増幅された信号ビームを時間的に圧縮するように配列されるパルスコンプレッサの中に指向される、項目１に記載の光学増幅器。
（項目１４）
前記第１および第２の非線形結晶は、三ホウ酸リチウムまたはベータホウ酸バリウムから作製される、項目１に記載の光学増幅器。
（項目１５）
前記第１および第２の増幅器段は、ベータホウ酸バリウムから作製される非線形結晶の形態にある、項目１に記載の光学増幅器。
（項目１６）
前記第２の第２高調波ビームのパルスは、前記第１の第２高調波ビームのパルスより長い持続時間を有する、項目１に記載の光学増幅器。
（項目１７）
前記基本ビームは、約９５０ナノメートル～約１，１００ナノメートルの波長を有する、項目１に記載の光学増幅器。
（項目１８）
前記基本ビームは、約１，０３０ナノメートルの波長を有する、項目１７に記載の光学増幅器。
（項目１９）
信号ビームを増幅させる方法であって、
基本レーザ放射線のビームを発生させるステップと、
前記基本ビームの一部を第２高調波レーザ放射線の第１のビームに変換し、未変換基本レーザ放射線の残留ビームを残すステップと、
前記残留基本ビームの一部を第２高調波レーザ放射線の第２のビームに変換するステップと、
前記第２の第２高調波ビームを第１の光学パラメトリック増幅器段に指向するステップであって、前記第１の光学パラメトリック増幅器段は、それによって光学的に励起され、前記信号ビームを増幅させるように配列される、ステップと、
前記第１の第２高調波ビームを第２の光学パラメトリック増幅器段に指向するステップであって、前記第２の光学パラメトリック増幅器段は、それによって光学的に励起され、前記信号ビームをさらに増幅させるように配列される、ステップと
を含む、方法。
（項目２０）
前記信号ビームは、パルス化され、前記信号ビームのパルスは、前記第１の光学パラメトリック増幅器段における増幅に先立って拡張され、前記信号ビームのパルスは、前記第２の光学パラメトリック増幅器段における増幅後に圧縮される、項目１９に記載の方法。
（項目２１）
前記信号ビームおよび前記基本ビームは、パルス化され、前記信号ビームパルスおよび前記基本ビームパルスの発生は、前記第１のパラメトリック増幅器段において、前記第２の第２高調波ビームのパルスおよび前記信号ビームのパルスを時間的に重複させるように同期される、項目１９に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【0011】
本明細書に組み込まれて本明細書の一部を構成する付随の図面は、本発明の好ましい実施形態を図式的に図示し、上記に与えられる一般的説明および下記に与えられる好ましい実施形態の詳細な説明とともに、本発明の原理を解説する役割を果たす。
【0012】
【図1】図１は、本発明による、光学パラメトリックチャープパルス増幅器の好ましい実施形態を図式的に図示し、光学パラメトリックチャープパルス増幅器は、基本ビームを送達するパルスレーザと、基本ビームから第１の第２高調波ビームを発生させる第１の非線形結晶と、残留基本ビームから第２の第２高調波ビームを発生させる第２の非線形結晶とを含み、第１の第２高調波ビームおよび第２の第２高調波ビームは、それぞれ、第２の増幅器段および第１の増幅器段を光学的に励起する。
【発明を実施するための形態】
【0013】
（発明の詳細な説明）
ここで図面に目を向けると、同様の特徴は、同様の参照番号によって識別され、図１は、本発明による、光学パラメトリックチャープパルス増幅器１０の好ましい実施形態を図式的に図示する。光学増幅器１０は、光学的に非線形の結晶の形態における、それぞれ、第１および第２の光学パラメトリック増幅器段１２および１４を備える。
ここで図面に目を向けると、同様の特徴は、同様の参照番号によって識別され、図１は、本発明による、光学パラメトリックチャープパルス増幅器１０の好ましい実施形態を図式的に図示する。光学増幅器１０は、光学的に非線形の結晶の形態における、それぞれ、第１および第２の光学パラメトリック増幅器段１２および１４を備える。
【0014】
光学増幅器１０はまた、パルスレーザ１６を含み、これは、単一矢頭Ｆによって識別されるパルス化される基本レーザ放射線のビームを発生させる。第２高調波発生のために配列される第１の光学的に非線形の結晶１８は、基本ビームＦを、二重矢頭ＳＨ１によって識別されるパルス化される第２高調波レーザ放射線のビームに部分的に変換する。第２高調波ビームＳＨ１の波長は、基本ビームＦの波長の半分である。第２高調波発生は、未変換基本レーザ放射線ＲＦ１の残留ビームを残す。実施例として、第２高調波ビームＳＨ１は、元の基本ビームＦの電力の約５０％を有する。同等に、基本ビームＦの各元のパルスは、第２高調波ビームＳＨ１のパルスおよび残留基本ビームＲＦ１のパルスに分割され、その各パルスは、元のパルスのエネルギーの約５０％を有する。
【0015】
第２高調波ビームＳＨ１および残留基本ビームＲＦ１は、ダイクロイックミラー２０によって空間的に分離され、これは、第２高調波ビームＳＨ１を反射させ、残留基本ビームＲＦ１を透過させる。また、第２高調波発生のために配列される第２の光学的に非線形の結晶２２は、残留基本ビームＲＦ１をパルス化される第２高調波レーザ放射線ＳＨ２のビームに部分的に変換する。再び、未変換基本レーザ放射線ＲＦ２の残留ビームがまた、存在する。第２高調波ビームＳＨ２および残留基本ビームＲＦ２は、別のダイクロイックミラー２４によって空間的に分離され、これは、第２高調波ビームＳＨ２を反射させる。ダイクロイックミラー２４は、残留基本ビームＲＦ２を透過させ、これは、破棄され得る、または、付加的前置増幅器段のための励起ビームを発生させるために使用され得る。
【0016】
第１の非線形結晶１８において第２高調波発生によって枯渇される残留基本ビームＲＦ１は、概して、基本ビームＦよりも長いパルス持続時間および低いビーム品質を有する。これらの理由から、第２高調波発生は、概して、第１の非線形結晶１８においてよりも第２の非線形結晶２２において、効率的ではない。実施例として、残留基本ビームＲＦ１は、約１０％～約２０％の範囲内の効率で、第２高調波ビームＳＨ２に変換され、残留基本ビームＲＦ２は、残留基本ビームＲＦ１の電力の約８０％～約９０％を有する。第２高調波ビームＳＨ２は、したがって、第２高調波ビームＳＨ１の電力の約１０％～２０％を有する。光学増幅器１０の最適な全体的効率に関して、第１の非線形結晶１８において第２高調波発生の効率を最適化することが、好ましい。それにもかかわらず、第２の非線形結晶２２において２０％を上回る変換効率は、依然として、慎重な最適化によって達成されることができる。
【0017】
短パルスレーザ２６は、大きい単一矢頭Ｓによって識別されるパルス化されるシードレーザ放射線のビームを発生させ、光学増幅器１０において増幅される。シードビームＳは、超短パルスおよび広スペクトル帯域幅を有する。シードビームＳは、第２高調波ビームＳＨ１およびＳＨ２よりも波長が長い。実施例として、短パルスレーザ２６は、超高速レーザ共振器を含み、シードビームＳを生産するために超連続発生を使用し得る。
【0018】
シードビームＳは、超短パルスを時間的に拡張するように配列されるパルスストレッチャ２８に指向され、拡張されるシードビームＳ１を生産する。拡張されるシードビームＳ１におけるパルスは、第２高調波ビームＳＨ１およびＳＨ２のパルスに匹敵する持続時間を有する。固定されて可変であるパルスストレッチャ配列は、当技術分野において周知である。その詳述される説明は、したがって、本発明の原理の理解のために必要ではなく、故に、本明細書に提示されない。
【0019】
ダイクロイックミラー３０は、第２高調波ビームＳＨ２を受け取り、ダイクロイックミラー２４から反射され、かつ拡張されるシードビームＳ１を伴って第１の増幅器段１２の中に共通経路に沿って第２高調波ビームＳＨ２を指向する。第２高調波ビームＳＨ２のパルスおよび拡張されるシードビームＳ１のパルスが時間的に重複するように、パルスレーザ１６および短パルスレーザ２６におけるパルス発生は、同期される。第１の増幅器段１２を通したこれらの共伝搬するビームの通過の間、時間的重複が、光学パラメトリック増幅のために要求される。第２高調波ビームＳＨ２は、励起ビームであり、拡張されるシードビームＳ１は、第１の増幅器段１２において信号ビームである。第１の段の光学パラメトリック増幅は、増幅された信号ビームＳ２を生産する。
【0020】
ダイクロイックミラー２０は、光学遅延３２を通して第２高調波ビームＳＨ１を指向する。第２高調波ビームＳＨ１は、別のダイクロイックミラー３４上に伝搬し続け、これは、増幅された信号ビームＳ２を伴って共通経路に沿って第２高調波ビームＳＨ１を指向する。光学遅延３２は、第２高調波ビームＳＨ１のパルスおよび増幅された信号ビームＳ２のパルスが、第２の増幅器段１４を通したこれらの共伝搬するビームの通過の間、時間的に重複するように、配列される。第２高調波ビームＳＨ１は、励起ビームであり、増幅された信号ビームＳ２は、第２の増幅器段１４における信号ビームである。第２の段の光学パラメトリック増幅は、さらなる増幅された信号ビームＳ３を生産し、これは、光学増幅器１０からの出力ビームである。
【0021】
増幅された信号ビームＳ３は、随意のパルスコンプレッサ３６に送達されてもよく、これは、増幅された拡張されるパルスを時間的に圧縮するように配列され、増幅された圧縮された信号ビームＳ４を生産する。増幅された圧縮された信号ビームＳ４内のパルスは、元のシードビームＳ内のパルスの持続時間に匹敵する持続時間を有し得る。パルスコンプレッサ配列は、当技術分野において周知であり、その詳述される説明は、本発明の原理を理解するために必要ではない。
【0022】
実施例として、基本ビームＦは、近赤外線波長を有し、第２高調波ビームＳＨ１およびＳＨ２は、対応する可視波長を有する。例えば、近赤外線波長は、９５０ｎｍ～１，１００ｎｍの範囲内である。これらのビームは、数百フェムト秒～数ナノ秒の範囲内のパルス持続時間を有してもよい。第１および第２の光学的に非線形の結晶は、三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）またはベータホウ酸バリウム（ＢＢＯ）から作製され得る。第１および第２の増幅器段における非線形結晶はまた、ＬＢＯまたはＢＢＯから作製され得る。
【0023】
増幅された信号ビームＳ２およびＳ３は、第１および第２の増幅器段におけるシードビームの波長の変動および非線形結晶の回転によって、可視および赤外線波長にわたって同調されてもよい。シードおよび信号ビームの中心波長は、第１および第２の増幅器段の非線形結晶におけるパラメトリック増幅に対して位相合致されることができる任意の波長であってもよい。約１，０３０ｎｍの基本波長および約５１５ｎｍの第２高調波波長に関して、ＬＢＯまたはＢＢＯから作製される適切に配向される結晶は、６００ｎｍから最大で材料が不透明になる波長（これは２，０００ｎｍを上回る）までの範囲内の波長を有するビームを増幅させることができる。
【0024】
図２Ａおよび２Ｂは、図１の光学増幅器１０のある実施例において、１，０３０ｎｍの基本波長および５１５ｎｍの第２高調波波長に対して、正規化された計算された電力を時間の関数として図式的に図示するグラフである。実施例では、第２高調波レーザ放射線は、ＢＢＯ結晶内でタイプ－１第２高調波発生によって発生される。図面は、基本ビームＦ、残留基本ビームＲＦ１、第２高調波ビームＳＨ１、および第２高調波ビームＳＨ２のそれぞれにおける１つのパルスを描写する。これらのパルスは、比較の目的のために図面内で重複する。
【0025】
図２Ａは、第１の非線形結晶１８内の基本ビームＦの第２高調波発生が、残留基本ビームＲＦ１のパルスのピークを優先的に枯渇させることを示し、これは、このパルスの持続時間を効果的に増加させる。図２Ｂは、第２の非線形結晶２２内で発生される第２高調波ビームＳＨ２のパルスが、したがって、第１の非線形結晶１８内で発生される第２高調波ビームＳＨ１のパルスより長い持続時間を有することを示す。第２高調波ビームＳＨ２のパルスを長くすることは、ひいては、第１の増幅器段１２内で発生される増幅された拡張されるシードビームＳ２のパルスを長くし、第１の段の光学パラメトリック増幅において狭まる時間的利得を補償する。増幅された拡張されるシードビームＳ２のより長いパルスは、第２の増幅器段１４における第２高調波ビームＳＨ１のパルスとの改良された時間的重複を有し、それによって、第２の段の光学パラメトリック増幅の効率を増加させる。
【0026】
本発明の２段光学パラメトリックチャープパルス増幅器は、従来技術の２段配列に優る全体的効率における有意な増加をもたらす。第２高調波ビームＳＨ１における電力全てが、第２の増幅器段１４の中に指向される。対照的に、従来技術の配列では、第２高調波ビームにおける電力の約８０％のみが、最終増幅器段の中に指向される。第２高調波ビームの電力の全てを第２の増幅器段の中に指向することは、第２の増幅器段における信号ビームに約２５％を上回る利得を提供することができる。一方、残留基本ビームＲＦ１内の電力は、従来技術の配列におけるように破棄されるのではなく、第１の増幅器段１２に対する励起ビームを発生させるために利用される。上記に議論されるように、増幅された拡張されるビームＳ２のパルスは、本発明の第２の増幅器段１４における第２高調波ビームＳＨ１のパルスとの良好な時間的重複を有する。先行技術の配列では、第１の増幅器段において狭まる時間的利得は、最終増幅器段における励起パルスより短い信号パルスを作製し、これは、励起パルスから信号パルスへの電力伝達を限定する。全体的に、本発明の増幅器は、従来技術の配列より約５０％より高い効率を有する。
【0027】
要約すると、拡張信号ビームは、第１の光学パラメトリック増幅器段において増幅され、次いで、第２の光学パラメトリック増幅器段においてさらに増幅される。第１の非線形結晶は、第２の増幅器段を励起するために、基本ビームを第２高調波ビームに変換し、残留基本ビームを残す。第２の非線形結晶は、第１の増幅器段を励起するために、残留基本ビームを別の第２高調波ビームに変換する。
【0028】
本発明は、好ましい実施形態の観点から、上記に説明される。本発明は、しかしながら、本明細書に説明および描写される実施形態によって限定されない。むしろ、本発明は、本明細書に添付の請求項によってのみ限定される。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【外国語明細書】