特許 7442537 短又は超短光パルスを圧縮するシステム及び方法並びに関連する光パルス化レーザーシステム

(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】

(24)【登録日】2024-02-22

(45)【発行日】2024-03-04

(54)【発明の名称】短又は超短光パルスを圧縮するシステム及び方法並びに関連する光パルス化レーザーシステム

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/383 20060101AFI20240226BHJP

   G03F 7/20 20060101ALI20240226BHJP

   H05G 2/00 20060101ALN20240226BHJP

【ＦＩ】

G02F1/383

G03F7/20 503

H05G2/00 K

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2021545334

(86)(22)【出願日】2019-10-09

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-02-07

(86)【国際出願番号】 FR2019052393

(87)【国際公開番号】W WO2020074827

(87)【国際公開日】2020-04-16

【審査請求日】2022-09-22

(31)【優先権主張番号】1859397

(32)【優先日】2018-10-10

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(73)【特許権者】

【識別番号】521153146

【氏名又は名称】アンプリテュード システム

(73)【特許権者】

【識別番号】501455677

【氏名又は名称】サントル・ナシオナル・ドゥ・ラ・ルシェルシュ・シアンティフィーク

(74)【代理人】

【識別番号】100074734

【弁理士】

【氏名又は名称】中里 浩一

(74)【代理人】

【識別番号】100086265

【弁理士】

【氏名又は名称】川崎 仁

(74)【代理人】

【識別番号】100076451

【弁理士】

【氏名又は名称】三嶋 景治

(72)【発明者】

【氏名】ザウテル ヨアン

(72)【発明者】

【氏名】ギシャール フロラン

(72)【発明者】

【氏名】ラヴニュ ロイック

(72)【発明者】

【氏名】アンナ マルク

【審査官】野口 晃一

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１７－５１６１６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１３－５３３５０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０５９５６１７３（ＵＳ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／０２５０９８２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００９－１８０８１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０３００９５１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２００２－５０２０６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１４１４２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】L． LAVENU et al.，“Compact, high-efficiency, ultrafast 2-cycles sources at 1030nm”，2019 Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO)，2019年，p.1-3，DOI: 10.1364/CLEO_AT.2019.JM1E.5

【文献】L． LAVENU et al.，“Nonlinear pulse compression based on a gas-filled multipass cell”，Optics Letters，2018年05月04日，Vol. 43, No. 10，p.2252-p.2255，DOI: 10.1364/OL.43.002252

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｆ １／００－１／１２５

１／２１－７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源（２）によって放出される短又は超短光パルスを圧縮するシステム（４）であって、
前記圧縮システム（４）は、
－マルチパスセル（１４）を有する第１非線形光パルス圧縮モジュール（１０）であって、前記マルチパスセル（１４）は、第１非線形光学媒体を有する、モジュールと、
－第２気体非線形光学媒体によって充填された毛細管（２４）及び前記毛細管（２４）の出力において配置されたコンプレッサ（２８）を有する第２非線形光パルス圧縮モジュール（２０）と、
を有し、
前記第１非線形光パルス圧縮モジュール（１０）及び前記第２非線形光パルス圧縮モジュール（２０）は、ソース光パルスのソース光ビーム（１００）の経路上において直列状態において配置されており、前記第１非線形光パルス圧縮モジュール（１０）は、前記第２非線形光パルス圧縮モジュール（２０）の上流において配置されていることを特徴とするシステム（４）。

【請求項2】

前記第１非線形光パルス圧縮モジュール（１０）は、前記マルチパスセル（１４）の出力において配置されたもう１つのコンプレッサ（１６）を有する、請求項１に記載の圧縮システム（４）。

【請求項3】

前記マルチパスセル（１４）は、少なくとも２つのミラー（３０）を有し、前記ソース光ビーム（１００）の伝播のエリアは、前記２つのミラー（３０）の間において定義されている、請求項１又は２に記載の光パルス圧縮システム（４）。

【請求項4】

前記２つのミラー（３０）は、分散型であり、前記マルチパスセル（１４）は、負の分散を導入している、請求項３に記載の光パルス圧縮システム（４）。

【請求項5】

前記マルチパスセル（１４）の前記第１非線形光学媒体は、非線形光学プロパティを有する流体媒体を有する、請求項１～４のいずれか１項に記載の光パルス圧縮システム（４）。

【請求項6】

前記マルチパスセル（１４）の前記第１非線形光学媒体は、固体非線形光学要素を有する、請求項１～５のいずれか１項に記載の光パルス圧縮システム（４）。

【請求項7】

前記第２非線形光パルス圧縮モジュール（２０）は、第２圧縮光ビーム（１２０）の分散を調節する光学装置（６０）を有し、前記光学装置（６０）は、前記第２非線形光パルス圧縮モジュール（２０）の出力において配置されている、請求項１～６のいずれか１項に記載の光パルス圧縮システム（４）。

【請求項8】

前記もう１つのコンプレッサ（１６）は、少なくとも１つの分散ミラー及び／又は１つの回折格子及び／又は１つのプリズム及び／又は１つのジル・トルノア干渉計を有し、且つ、前記コンプレッサ（２８）は、少なくとも１つの分散ミラー及び／又は１つの回折格子及び／又は１つのプリズム及び／又は１つのジル・トルノア干渉計を有する、請求項２に記載の光パルス圧縮システム（４）。

【請求項9】

前記第１非線形光パルス圧縮モジュール（１０）の出力における前記光パルスの第１時間圧縮率は、１超であり、且つ、２０以下であり、且つ、前記第２非線形光パルス圧縮モジュール（２０）の出力における前記光パルスの第２時間圧縮率は、１超であり、且つ、２０以下である、請求項１～８のいずれか１項に記載の光パルス圧縮システム（４）。

【請求項10】

光パルスレーザーシステム（１）であって、
－短又は超短光パルスを生成するように設計された光源（２）と、
－請求項１～９のいずれか１項に記載の光パルス圧縮システム（４）と、
を有するシステム（１）。

【請求項11】

光源（２）によって放出される短又は超短光パルスを時間的に圧縮する方法であって、
－第１非線形光パルス圧縮モジュール（１０）による非線形光パルス圧縮の第１ステップであって、前記第１非線形光パルス圧縮モジュール（１０）は、マルチパスセル（１４）を有し、前記マルチパスセル（１４）は、第１非線形光学媒体を有する、ステップと、
－第２非線形光パルス圧縮モジュール（２０）による非線形光パルス圧縮の第２ステップであって、前記第２非線形光パルス圧縮モジュール（２０）は、第２気体非線形光学媒体によって充填された毛細管（２４）と、前記毛細管（２４）の出力において配置されたコンプレッサ（２８）と、を有する、ステップと、
を連続的に有し、
前記第１非線形光パルス圧縮モジュール（１０）及び前記第２非線形光パルス圧縮モジュール（２０）は、ソース光パルスのソース光ビーム（１００）の経路上において直列状態において配置されており、前記第１非線形光パルス圧縮モジュール（１０）は、前記第２非線形光パルス圧縮モジュール（２０）の上流において配置されていることを特徴とする方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一般に、高パワー及び／又は高エネルギー超短光パルスを生成するレーザーシステムの分野に関する。

【0002】

更に詳しくは、本発明は、光パルスを時間的に圧縮する光パルス圧縮システム又は光パルスコンプレッサの分野に関する。

【0003】

更に詳しくは、本発明は、短又は超短光パルスを圧縮するシステム及び方法に関する。

【0004】

又、本発明は、光パルス圧縮システムを有するレーザーシステムにも関する。

【背景技術】

【0005】

非線形圧縮システムの使用は、一般には、時間的な分散及び増幅の後に光パルスの持続時間を低減するべく、通常使用される方法である。多くの非線形圧縮システムが既知であり、これらは、基本的に、非線形光学プロパティを有する固体又は気体媒体内における入射光パルスの自己位相変調（ＳＰＭ：Ｓｅｌｆ－Ｐｈａｓｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）スペクトル拡幅に基づいている。

【0006】

既知の圧縮システムは、固体コアファイバを使用するステップを有する。この装置の伝送の効率は、一般には、８０％のレベルであるが、光パルスの入射エネルギーは、数マイクロジュール（μＪ）に制限されている。

【0007】

別の圧縮システムは、気体によって充填された中空ファイバを使用するステップを有する。中空ファイバは、その構造が低損失を伴う（且つ、理想的には、損失を伴わない）光パルスの導波の保証を可能にする導波路として機能している。これを目的として、中空ファイバのクラッディングは、これらの導波プロパティが提供されるように、マイクロ構造化されている。従って、この装置の伝送効率は非常に高く、通常は、数十マイクロジュールのエネルギーにおいて、９０％のレベルである。但し、これらの中空ファイバは、レーザーパラメータの安定性（例えば、ポインティング安定性）又は入射偏光の維持の観点において、制限されている。

【0008】

更に別の圧縮システムは、材料のプレートを使用するステップを有する。これらの材料のプレートは、供給源によって放出される波長に対して透明であるすべてのタイプの材料を有する。これは、例えば、溶融シリカ、イットリウム－アルミニウムガーネット結晶（ＹＡＧ結晶）、フッ化カルシウム（ＣａＦ_２）、又はチタンリン酸カリウム（ＫＴＰ）である。この装置は、強力な伝送の取得を可能にするが、光ビームの空間的且つ空間－時間的な品質を維持するべく、圧縮率を制限しなければならない（通常は、５未満である）。

【0009】

更に別の圧縮システムは、気体によって充填された毛細管を使用するステップを有する。高エネルギーパルス（例えば、１ｍＪ超）において、強力な圧縮効率が得られる（通常は、１０超である）。但し、気体によって充填された毛細管は、導波路としては機能せず、従って、光パルスの伝播が、損失を伴って発生する。従って、この装置の損失を制限するべく、使用される毛細管の長さと直径の間において、妥協点を見出さなければならない。

【0010】

最後に、別の圧縮システムは、非線形光学プロパティを有する気体又は固体元素を収容したマルチパスセルを使用するステップを有しており、この内部において、光ビームは、複数回の往復移動を実施している。この装置は、通常は９０％超である強力な伝送効率を保証することにより、１０未満の圧縮率の取得を可能にしている。更には、光ビームの空間的な品質も維持されている。但し、セルに使用されるミラーの光学プロパティが、この装置の性能を制限している。

【0011】

最後に、既知の圧縮システムは、いずれも、高効率（通常は、５０％超である）及び高圧縮率（通常は、１０～４００である）の両方において、例えば、１０個未満の光サイクルなどの、いくつかの光サイクルの光パルスなどの、短又は超短光パルスの取得を許容してはいない。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

当技術分野の現時点の状態における上述の欠点を矯正するべく、本発明は、短又は超短光パルスを圧縮するシステムを提案している。

【課題を解決するための手段】

【0013】

更に詳しくは、本発明によれば、光源によって放出される短又は超短光パルスを圧縮するシステムが提案されている。本発明によれば、圧縮システムは、
－マルチパスセルを有する第１非線形光パルス圧縮モジュールであって、マルチパスセルは、第１非線形光学媒体を有する、モジュールと、
－第２気体非線形光学媒体によって充填された毛細管と、毛細管の出力において配置されたコンプレッサと、を有する第２非線形光パルス圧縮モジュールと、
を有し、
第１非線形圧縮モジュール及び第２非線形圧縮モジュールは、ソース光パルスのソース光ビームの経路上において直列状態において配置されており、第１非線形圧縮モジュールは、第２非線形圧縮モジュールの上流において配置されている。

【0014】

有利には、マルチパスセルを有する第１圧縮モジュール及び毛細管を有する第２圧縮モジュールの使用は、（いくつかの光サイクル以下の持続時間を有しうる）短又は超短光パルスの強力なエネルギー伝送の取得を可能にしている。圧縮システムの出力において伝送される平均パワーは、これらの光パルス持続時間にわたって非常に大きい。更には、本発明の構成は、コンパクトな圧縮システムにおいて光ビームの大きな安定性を提供している。

【0015】

但し、この第１圧縮モジュールとこの第２圧縮モジュールの組合せは、時間的な又は空間－スペクトル的な劣化の発生を伴うことなしに、５０％超のエネルギー効率の取得を許容している。

【0016】

個々に、或いは、技術的に可能な組合せのすべてに応じて、取得される、本発明による短又は超短光パルスを圧縮するシステムのその他の非限定的且つ有利な特徴は、
－第１非線形圧縮モジュールは、マルチパスセルの出力において配置された別のコンプレッサを有しており、
－マルチパスセルは、少なくとも２つのミラーを有し、この場合に、ソース光ビームの伝播のエリアは、２つのミラーの間において定義されており、
－２つのミラーは、分散型であり、且つ、マルチパスセルは、負の分散を導入しており、
－マルチパスセルの第１非線形光学媒体は、非線形光学プロパティを有する流体媒体を有しており、
－マルチパスセルの第１非線形光学媒体は、固体非線形光学要素を有しており、
－第１非線形圧縮モジュールは、ソース光ビームを合焦する第１合焦光学システムを有し、第１合焦光学システムは、前記第１非線形圧縮モジュールの入力において配置されており、第１合焦光学システムは、伝播モードをマルチパスセルの合焦のエリア内のソース光ビームのサイズに結合するように設計されており、
－第２非線形圧縮モジュールは、第２合焦光学システムを有し、第２合焦光学システムは、前記第２非線形圧縮モジュールの入力において配置されており、第２合焦光学システムは、第１非線形圧縮モジュールから出現する第１圧縮光ビームを毛細管の入力に合焦するように設計されており、
－第２非線形圧縮モジュールは、第２圧縮光ビームの分散を調節する光学装置を有し、前記光学装置は、第２非線形光ビーム圧縮モジュールの出力において配置されており、
－もう１つのコンプレッサは、少なくとも１つの分散ミラー及び／又は１つの回折格子及び／又は１つのプリズム及び／又は１つのジル・トルノア（Ｇｉｒｅｓ－Ｔｏｕｒｎｏｉ）干渉計を有し、且つ、コンプレッサは、少なくとも１つの分散ミラー及び／又は１つの回折格子及び／又は１つのプリズム及び／又は１つのジル・トルノア干渉計を有しており、且つ、
－第１非線形圧縮モジュールの出力における光パルスの第１時間圧縮率は、１超であり、且つ、２０以下であり、好ましくは、５～２０であり、且つ、第２非線形圧縮モジュールの出力における光パルスの第２時間圧縮率は、１超であり、且つ、２０以下であり、好ましくは、５～２０である、
というものである。

【0017】

有利には、この第１圧縮モジュールとこの第２圧縮モジュールの組合せは、１０超の、且つ、４００に到達しうる、全体時間圧縮率の取得を可能にしている。

【0018】

又、本発明は、
－短又は超短光パルスを生成するように設計された光源と、
－以上において定義されている光パルス圧縮システムと、
を有する光パルスレーザーシステムをも提案している。

【0019】

又、本発明は、光源によって放出された短又は超短光パルスを時間的に圧縮する方法をも提案している。

【0020】

本発明によれば、方法は、
－第１非線形光パルス圧縮モジュールによる非線形光パルス圧縮の第１ステップであって、前記第１モジュールは、マルチパスセルを有し、マルチパスセルは、第１非線形光学媒体を有する、ステップと、
－第２非線形光パルス圧縮モジュールによる非線形光パルス圧縮の第２ステップであって、前記第２モジュールは、第２気体非線形光学媒体によって充填された毛細管と、毛細管の出力において配置されたコンプレッサと、を有する、ステップと、
を連続的に含み、
第１非線形圧縮モジュール及び第２非線形圧縮モジュールは、ソース光パルスのソース光ビームの経路上において直列状態において配置され、第１非線形圧縮モジュールは、第２非線形圧縮モジュールの上流において配置されている。

【0021】

非限定的な例として付与されている添付の図面との関係における以下の説明は、本発明が有するものと、本発明が実装されうる方式と、の良好な理解を許容することになろう。

【0022】

添付図面は、以下のとおりである。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明によるレーザーシステムの異なる要素の概略表現を提案する。

【図2】本発明によるレーザーシステムの異なる要素の別の概略表現を提案する。

【発明を実施するための形態】

【0024】

図１は、例示用の一実施形態による光パルスレーザーシステム１の様々な要素の第１概略図を提案している。図２は、本発明による光パルスレーザーシステムの様々な要素の別の概略図を提案している。以下、これらの２つの図の共通要素について同時に説明する。

【0025】

光パルスレーザーシステム１は、光源２と、光パルス圧縮システム４と、を有する。

【0026】

光源２は、短又は超短光パルスを生成するように設計されている。本明細書において、「短又は超短光パルス」は、その持続時間が数十フェムト秒（ｆｓ）～１００ｐｓである光パルスを意味している。光源２によって放出される光パルスの持続時間は、例えば、２００ｆｓ～４００ｆｓである。光源２は、ここでは、７ｎｍのレベルの中程度～大きなスペクトル幅を伴って、１０３０ナノメートル（ｎｍ）のレベルの中心波長を有する。代替肢として、光源の中心波長は、可視範囲内であってもよく、又は、近赤外範囲内であってもよく、或いは、又、平均赤外範囲内であってもよい。

【0027】

実際に、ここでは、光源２は、高エネルギー光パルスを生成している。本明細書において、「高エネルギー光パルス」は、例えば、１０μＪ～５００ｍＪなどのように、そのエネルギーが１０μＪ超である光パルスを意味している。高エネルギー光パルスは、例えば、ここでは、１００μＪ～１ｍＪのエネルギーを有する。実際に、光源２は、例えば、Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｓｙｓｍｔｅｍｓ社の、タンジェリンレーザー供給源、イッテルビウムドープ型のファイバレーザー、及び増幅器である。このケースにおいて、光源２は、１５０ｋＨｚのレベルの反復周波数を伴って、３３０ｆｓのレベルの持続時間と、光パルス当たりに２２５μＪのレベルのエネルギーと、を有するパルスを生成している。この結果、対応する平均パワーは、３４Ｗのレベルである。

【0028】

ソース光ビーム１００は、光源２の出力において生成されたパルスから形成されている。実際に、光源２の出力におけるソース光ビーム１００の品質係数Ｍ^２は、２未満である。光源２の出力におけるソース光ビーム１００の品質係数Ｍ^２は、例えば、１．４×１．２に等しい。

【0029】

次いで、図１及び図２において観察されうるように、ソース光ビーム１００は、以下において圧縮システム４とも呼称される、光パルス圧縮システム４に向かって導かれている。

【0030】

圧縮システム４は、以下において第１圧縮モジュール１０とも呼称される、第１非線形光パルス圧縮モジュール１０と、以下において第２圧縮モジュールとも呼称される、第２非線形光パルス圧縮モジュール２０と、を有する。

【0031】

第１非線形圧縮モジュール１０は、ソース光ビーム１００の第１合焦光学システム１２、マルチパスセル１４を有する。図示の例において、第１非線形圧縮モジュール１０は、第１コンプレッサ１６を更に有する。又、第１コンプレッサ１６は、本明細書においては、もう１つのコンプレッサとも呼称されている。

【0032】

第１合焦光学システム１２は、第１圧縮モジュール１０の入力において配置されている。第１合焦光学システム１２は、第１非線形圧縮モジュール１０内において、マルチパスセル１４の上流において位置決めされている。本説明において、「上流」及び「下流」という用語は、光源２内のソース光ビーム１００の生成からレーザーシステム１の出力までの光ビームの伝播の方向に従って使用されている。

【0033】

第１合焦光学システム１２は、ソース光ビーム１００をマルチパスセル１４の入力に向かって導くように設計されている。具体的には、第１合焦光学システム１２は、伝播モードをマルチパスセル１４の合焦のエリア内のソース光ビーム１００のサイズ（「ウエスト」とも呼称される）に結合するように、設計されている。実際に、第１合焦光学システム１２は、例えば、３レンズ構成を有する。

【0034】

マルチパスセル１４は、少なくとも２つのミラー３０を有する。実際に、２つのミラー３０は、凹状である。２つのミラー３０によって誘発される分散は、実際には、マルチパスセル１４内において配置された（且つ、後述される）第１非線形光学媒体の分散との関係において、同一符号の、或いは、反対符号の、ゼロである。例えば、ミラー３０は、約５ｃｍの直径と、約３００ｍｍの曲率半径と、を有する。２つのミラー３０は、互いに反対側に配置されており、且つ、ミラー３０の曲率半径の二倍未満の距離だけ、離隔している。実際に、マルチパスセル１４は、例えば、約４５０ｍｍだけ離隔した２つの凹面ミラーによって形成されている。マルチパスセル１４において伝播する光ビーム１０２の伝播のエリアは、２つのミラー３０の間において定義されている。

【0035】

又、マルチパスセル１４は、伝播エリア内へのソース光ビーム１００の導入のための少なくとも１つの光学要素３１をも有する。導入光学要素３１は、マルチパスセル１４の入力において配置されている。導入光学要素３１は、ソース光ビーム１００をミラー３０に向かって方向付けするように設計されている。又、図２において観察されうるように、マルチパスセル１４は、任意選択により、マルチパスセル１４の容積を低減するように設計された偏向ミラー３２をも有する。

【0036】

実際に、導入光学要素３１は、例えば、サイズ３ｍｍ×１０ｍｍの矩形の平面ミラーなどの、平面ミラーを有する。

【0037】

対称的な方式により、マルチパスセル１４は、２つのミラー３０の間の伝播のエリアからの光ビーム１０２の抽出のための少なくとも１つの抽出光学要素３５を有する。抽出光学要素３５は、ミラー３０の下流において、マルチパスセル１４の出力において配置されている。抽出光学要素３５は、マルチパスセル１４から出現する、且つ、具体的には、伝播エリアから出現する、光ビーム１０５を抽出するように、且つ、これをマルチパスセル１４の出力に向かって導くように、設計されている。図２において観察されうるように、マルチパスセル１４は、任意選択により、別の偏向ミラー３４をも更に有する。

【0038】

実際に、抽出光学要素３５は、例えば、３ｍｍ×１０ｍｍの矩形の平面ミラーなどの、平面ミラーを有する。

【0039】

導入光学要素３１及び抽出光学要素３５は、光ビーム１０５が、伝播エリア内において、２つのミラー３０の間の既定の距離だけ移動することを許容するような方式により、結合されている。例えば、ここで、光ビーム１０５は、２つのミラー３０の間の伝播のエリア内における約２７回の往復運動に対応する、約２４ｍという伝播の合計距離だけ移動している。

【0040】

マルチパスセル１４は、第１非線形光学媒体を有する。この第１非線形光学媒体には、自己位相変調に必要とされる次数３の非線形感受率の取得が好ましい。この第１非線形媒体との間における光パルスの相互作用は、これらの光パルスのスペクトル拡幅を許容している。

【0041】

実際に、第１非線形光学媒体は、２つのミラー３０の間において観察される距離の全体にわたって延在している。一代替肢として、第１非線形光学媒体は、２つのミラー３０の間の距離の一部分をカバーしうる。

【0042】

第１非線形光学媒体は、例えば、流体媒体である。流体媒体は、気体媒体又は液体媒体を意味している。この流体媒体は、非線形光学プロパティを有する。

【0043】

例えば、第１非線形光学媒体は、気体媒体である。気体は、例えば、５バールの圧力を有するアルゴンである。一代替肢として、気体媒体は、例えば、キセノン、クリプトン、ネオン、又はヘリウムなどの任意の希ガス、或いは、例えば、空気などの任意の分子気体を有する。この結果、マルチパスセル１４は、少なくとも１つの気体転送要素３６を有する。気体転送要素３６は、マルチパスセル１４との間の気体の注入及び／又は抽出を許容している。

【0044】

一代替肢として、マルチパスセルは、転送要素３６に起因して伝播する気体フローのシートであってよい。別の代替肢として、マルチパスセル１４は、静的気体圧力下にあってもよく、この圧力は、例えば、２０バール未満などのように、大気圧未満又は超であってよい。

【0045】

更に別の代替肢において、第１非線形光学媒体は、非線形光学プロパティを有する液体媒体であってよい。実際に、液体媒体は、例えば、水、アセトン、又はメタノールなどの、任意のタイプの液体を有しうる。

【0046】

更に別の代替肢として、第１非線形光学媒体は、２つのミラー３０の間の伝播のエリア内において配置された固体の非線形光学要素であってよい。固体非線形光学要素は、例えば、溶融シリカ又はサファイア又はイットリウム－アルミニウムガーネット（ＹＡＧ結晶）から構成されている。

【0047】

更に別の代替肢として、第１非線形媒体は、２つのミラー３０と流体媒体の間の距離を部分的にカバーする固体非線形光学要素の組合せを有することができる。

【0048】

図１及び図２に示されている例示用の実施形態において、第１コンプレッサ１６は、第１圧縮モジュール１０の出力において配置されている。第１コンプレッサ１６は、第１圧縮モジュール１０内において、マルチパスセル１４の下流において配置されている。

【0049】

このような圧縮システム内の超短パルスの生成は、特に、例えば、１０個の光サイクル未満などの、いくつかの光サイクルのパルスをサポートするスペクトルのケースにおいては、マルチパスセル１４内において蓄積される分散効果の正確な制御を必要としている。

【0050】

第１コンプレッサ１６は、マルチパスセル１４から出現する光ビーム１０５の光パルスを時間的に圧縮するように設計されている。第１コンプレッサ内において実装される圧縮は、線形である。例えば（図２）、第１コンプレッサ１６は、例えば、－４９００ｆｓ^２のレベルの合計群遅延分散を導入する２つの分散ミラー４０を有する。一代替肢として、第１コンプレッサ１６は、単一の分散ミラーを含みうる。一代替肢として、第１コンプレッサ１６は、例えば、ジル・トルノア干渉計（ＧＴＩ）、或いは、所謂「チャープ型」の分散ミラー、を有する。

【0051】

一代替肢として、第１コンプレッサ１６は、１つ又は複数の回折格子及び／又は１つ又は複数のプリズムを含みうる。更に別の変形において、第１コンプレッサ１６は、回折格子及びプリズムの組合せを含みうる。

【0052】

更に別の代替肢として、マルチパスセル１４のミラーは、ミラー３０及び第１非線形光学媒体を有するマルチパスセルが、負の正味分散を有するように、例えば、ジル・トルノア干渉計（ＧＴＩ）又は所謂「チャープ型」のミラータイプのミラーなどの、分散ミラーである。この結果、このケースにおいては、マルチパスセルは、スペクトル拡幅及び第１時間圧縮を光パルスに対して同時に適用している。この結果、自己圧縮現象が、マルチパスセル１４内において発生している。一代替肢として、このケースにおいては、第１非線形圧縮モジュール１０が第１コンプレッサ１６を有しておらず、圧縮は、マルチパスセル１４内においてのみ、発生しうる。

【0053】

又、以上において紹介されているように、圧縮装置４は、第２圧縮モジュール２０をも有する。この第２圧縮モジュール２０は、光ビームの経路上において第１圧縮モジュール１０と直列状態において配置されている。第２圧縮モジュール２０は、予め導入された第１圧縮モジュール１０の下流において配置されている。

【0054】

第２圧縮モジュール２０は、第２合焦光学システム２２と、毛細管２４と、コリメーティング光学システム２６と、第２コンプレッサ２８と、光ビームの分散を調節する光学装置６０と、を有する。又、第２コンプレッサ２８は、本明細書においては、コンプレッサとも呼称されている。

【0055】

第２合焦光学システム２２は、第２圧縮モジュール２０の入力において配置されている。第２合焦光学システム２２は、第２圧縮モジュール２０内の毛細管２４の上流において位置決めされている。この第２合焦光学システム２２は、第１圧縮モジュール１０から出現する第１圧縮光ビーム１１０を毛細管２４の入力に合焦するように設計されている。例示用の一実施形態において、この第２合焦光学システム２２は、第１圧縮光ビーム１１０のポインティング安定性を保証しており、且つ、短及び長期間における光パルスの安定性の取得を可能にしている。実際に、第２合焦光学システム２２は、例えば、ｆ＝４００ｍｍのレベルの焦点距離のレンズを有する。

【0056】

次いで、第１圧縮光ビーム１１０は、毛細管２４内において伝播している。毛細管２４は、例えば、１メートルのレベルの、既定の長さにわたって延在している。毛細管２４は、例えば、４００μｍのレベルの、５０μｍ～１０ｍｍの直径を有する。毛細管２４は、第２非線形光学媒体を有する。この第２非線形光学媒体には、自己位相変調に必要とされる次数３の非線形感受率の取得が好ましい。この第２非線形媒体との間における光パルスの相互作用は、これらの光パルスのスペクトル拡幅を許容している。

【0057】

この第２非線形光学媒体は、気体である。この気体媒体は、例えば、アルゴン、キセノン、クリプトン、ネオン、又はヘリウムなどの任意の希ガス、或いは、例えば、空気又は二窒素などの任意の分子気体を有する。例えば、ここで、毛細管２４は、５００ミリバールの圧力において、キセノンによって充填されている。一代替肢として、これは、マルチパスセル１４内において存在しているものと同一の気体であってよい。又、毛細管２４は、少なくとも別の気体転送要素２７を有する。もう１つの気体転送要素２７は、毛細管２４との間における気体の注入及び／又は抽出を許容している。

【0058】

一代替肢として、毛細管２４は、もう１つの転送要素２７に起因して伝播する気体フローのシートであってよい。このケースにおいては、毛細管２４は、差気体圧力下にある。この差圧は、もう１つの転送要素２７を通じて気体を注入及び／抽出することにより、毛細管内において取得されている。

【0059】

別の代替肢として、毛細管２４は、静的気体圧力下にあってもよい。

【0060】

実際に、毛細管２４は、例えば、光ビームが個々に毛細管２４に進入し、且つ、これから出現する、入力ウィンドウ２３及び出力ウィンドウ２５を有する。

【0061】

又、図１及び図２において観察されうるように、第２圧縮モジュール２０は、コリメーティング光学システム２６をも有する。コリメーティング光学システム２６は、毛細管２４から出現する光ビーム１１５の経路上において毛細管２４の下流に配置されている。このコリメーティング光学システム２６は、毛細管２４から出現する光ビーム１１５をコリメーティングするように設計されている。実際に、コリメーティング光学システム２６は、レンズ又は軸外しパラボラミラー又は球面ミラーである。例えば、コリメーティング光学システム２６は、１０ｍｍのレベルの直径の、且つ／又は、８００ｍｍのレベルの曲率半径の、球面ミラーであってよい。

【0062】

一代替肢として、このコリメーティング光学システム２６は、第２圧縮モジュール２０から省略することができる。

【0063】

次いで、第２コンプレッサ２８が、第２圧縮モジュール２０の出力において配置されている。第２コンプレッサ２８は、第２圧縮モジュール２０内のコリメーティング光学システム２６の下流において位置決めされている。

【0064】

第２コンプレッサ２８は、毛細管２４及びコリメーティング光学システム２６から出現する光ビーム１１５の光パルスを時間的に圧縮するように設計されている。第２コンプレッサ２８内において実装される圧縮は、線形である。図２の例において、第２コンプレッサ２８は、例えば、－３００ｆｓ^２のレベルの合計群遅延分散を導入する少なくとも２つの分散ミラー５０を有する。一代替肢として、第２コンプレッサ２８は、単一の分散ミラーを有しうる。一代替肢として、第２コンプレッサ２８は、ジル・トルノア（ＧＴＩ）干渉計又は所謂「チャープ型」のミラーを有する。

【0065】

第２コンプレッサ２８は、毛細管２４から出現する光ビーム１１５を受け取り、且つ、圧縮された光ビーム１２０を生成している。

【0066】

図１に示されているように、圧縮された光ビーム１２０の分散を調節する光学装置６０が、第２圧縮モジュール２０の出力において配置されている。分散調節光学装置６０は、第２コンプレッサ２８の下流において位置決めされている。分散調節光学装置６０は、第２圧縮モジュール２０の出力において、第２圧縮光ビーム１２０の分散を微細調節するように設計されている。実際に、分散調節光学装置６０は、その厚さが可変である材料の２つのプレートを有する。第２圧縮光ビーム１２０の伝播に沿ったこれらのプレートの挿入は、可変量の群速度分散の導入を可能にしており、この量は、通過する材料の厚さに依存している。例えば、分散調節光学装置６０は、少なくとも１つのプリズムを有しうるが、好ましくは、ＣａＦ_２プリズムのペアである。このペアの２つのプリズムは、第２圧縮光ビームの角度分散を導入しないように位置決めされている。

【0067】

一代替肢として、分散調節光学装置６０は、第２圧縮モジュール２０から省略することができる。

【0068】

上述の光ビームレーザーシステム１は、以下の光パルス圧縮方法の実装を可能にしている。この方法は、具体的には、短又は超短光パルスの圧縮について適合されている。

【0069】

本発明の方法によれば、光源２は、複数の短又は超短且つ高エネルギーの光パルスを生成している。上述の例におけるように、光源２は、ここでも、７ｎｍのレベルの中程度～大きなスペクトル幅を伴って、１０３０ｎｍの中心波長を有する。ここで、光源２は、例えば、１５０ｋＨｚのレベルの、１Ｈｚ～１００ＭＨｚの反復周波数を有する、３３０ｆｓに等しい持続時間と、光パルス当たりに２２５μＪのレベルのエネルギーと、を有する光パルスを生成している。この結果、対応する平均パワーは、３４Ｗのレベルである。

【0070】

本発明による方法は、エネルギー伝送効率を維持しつつ、レーザーシステム１の出力において、依然として相対的に短い持続時間のパルスを取得することを可能にしている。

【0071】

この主題に関し、方法は、第１非線形圧縮ステップと、第２非線形圧縮ステップと、という、２つの連続的圧縮ステップを有する。

【0072】

第１非線形圧縮ステップは、第１非線形圧縮モジュール内において実行されている。光源２によって生成された光パルスから形成されたソース光ビーム１００は、第１合焦光学システム１２により、マルチパスセル１４に向かって導かれている。

【0073】

次いで、ソース光ビーム１００は、導入光学要素３１及び偏向光学要素３２に起因して、マルチパスセル１４の２つのミラー３０の間における伝播のエリアに導入されている。

【0074】

上述のように、光ビーム１０２は、２つのミラー３０の間のアルゴン気体を収容する伝播のエリア内において、既定数の往復移動を実施しており、ここでは、２７回である。非線形光学効果による望ましいスペクトル拡幅を得るべく、気体の圧力が更に調節されている。次いで、抽出光学要素３５及び偏向光学要素３４が、マルチパスセル１４の出力に向かって導くように、伝播のエリアのマルチパスセル１４から出現した光ビーム１０５を抽出している。マルチパスセル１４は、マルチパスセル１４から出現する光ビーム１０５のスペクトル拡幅を許容している。例えば、－１０ｄＢにおけるスペクトル幅は、６５ｎｍのレベルである。

【0075】

マルチパスセル１４の出力において、光ビーム１０５の光パルスは、第１コンプレッサ１６内において時間的に圧縮されている。従って、第１圧縮モジュール１０の出力において、光パルスの持続時間は、８７％というレベルの、有効に取得されるピークパワーと理想的な圧縮について到達されうるピークパワーの間の比率を特徴付ける（即ち、全体スペクトルにわたるスペクトル位相定数を考慮した）時間ストレール（Ｓｔｒｅｈｌ）比を伴って、４０ｆｓというレベルを有する。この結果、この第１圧縮モジュール１０の第１圧縮率は、例えば、８のレベルなどの、例えば、１～２０などのように、１超である。一般に、第１圧縮率の最大値は、マルチパスセル１４のミラーによって反射される最大スペクトル帯域に依存している。第１圧縮モジュール１０の伝送は、合焦光学システム１２及び第１コンプレッサ１６の分散ミラーを考慮することにより、８５％のレベルである。この結果、第１圧縮モジュール１０の出力において、光パルスのエネルギーは、１９０μＪのレベルであり、この結果、これは、約２８．７Ｗの平均パワーに対応している。第１圧縮モジュール１０の出力における第１圧縮光ビーム１１０の品質係数Ｍ^２は、１．２×１．２に等しい。従って、マルチパスセル１４は、光パルスの高エネルギー伝送を維持しつつ、（ミラーによって定義される可能な限度内において）パルス持続時間の大幅な低減を可能にしている。

【0076】

次いで、本発明による方法は、非線形圧縮の第２ステップによって継続されている。

【0077】

非線形圧縮の第２ステップは、第２非線形圧縮モジュール２０内において実行されている。第１圧縮モジュール１０の出力において、第１圧縮光ビーム１１０は、第２圧縮モジュール２０に向かって導かれている。実際に、第２合焦光学システム２２は、キセノンガスによって充填された毛細管２４に向かって第１圧縮光ビーム１１０を導いている。

【0078】

毛細管２４は、高エネルギー光パルスから到来する光ビームの伝播を許容している。毛細管２４の直径は、相対的に大きく、恐らくは、好ましくは、４００μｍのレベルであり、これは、高エネルギー光パルスの受け取りと、圧縮システム４の伝送の増大と、を許容している。毛細管２４は、第１圧縮光ビーム１１０の導波された伝播と、自己位相変調（ＳＰＭ）スペクトル拡幅と、を許容している。具体的には、毛細管２４内において収容されているキセノンは、４３０ｎｍのレベルの、－１０ｄＢにおけるスペクトル幅を伴って、８００ｎｍ～１２００ｎｍのスペクトル拡幅を許容している。

【0079】

毛細管２４を充填している気体中における伝播の後に、毛細管２４から出現した光ビーム１１５は、その後に、第２コンプレッサ２８内において時間的に圧縮されるように、コリメーティング光学システム２６によって導かれ、且つ、コリメーティングされている。例えば、分散ミラー５０を有する第２コンプレッサ２８は、負の群速度分散を導入することにより、毛細管１１５から出現する光ビーム１１５の時間的な圧縮を可能にしている。分散は、分散調節光学装置６０に起因して、第２圧縮モジュール２０の出力において更に微細調節することができる。

【0080】

第２圧縮モジュール２０の出力において、光パルスの持続時間は、６９％のレベルの時間ストレール比を伴って、６ｆｓのレベルである。この光パルスの持続時間は、特に、関係するエネルギーの場合に、特に有利であり、その理由は、これが、いくつかの光サイクルを有するからである。ここで、この持続時間は、１０３０ｎｍにおいて、２つの光サイクルに対応している。第２圧縮モジュール２０の伝送は、第２コンプレッサ２８の第２合焦光学システム２２及び分散ミラー５０を考慮することにより、７２％のレベルである。この結果、この第２圧縮モジュール２０の第２圧縮率は、例えば、７のレベルなどのように、２～２０である。この結果、第２圧縮モジュール２０の出力において、光パルスのエネルギーは、１５０μＪのレベルであり、これは、２３Ｗのレベルの平均パワーに対応している。第２圧縮モジュール２０の出力における光ビームの品質係数Ｍ^２は、１．２×１．２に等しい。毛細管２４は、非常に大きなスペクトル帯域を有しており、これは、従って、禁止された伝送帯域を課すことにより、伝送スペクトル帯域を制限している、マイクロ構造化されたクラッディングの中空ファイバとは対照的に、光ビームスペクトルの伝送を制限してはいない。毛細管２４は、いくつかの光サイクル以下の持続時間の短又は超短パルスの生成及び高圧縮率の取得を可能にしている。更には、毛細管２４は、優れた空間品質を有する出力光ビームの提供をも可能にしている。

【0081】

最後に、レーザーシステム１の出力における光パルスの時間圧縮率は、１０～４００である。光パルス圧縮システム４の合計伝送は、例えば、１５０ｋＨｚなどの、１Ｈｚ～１００ＭＨｚの反復周波数を伴って、６ｆｓのレベルの光パルス持続時間及び光パルス当たりに１５０μＪのレベルのエネルギーを出力において伴って、５０％超であり、通常は、６１％のレベルである。この結果、対応する平均パワーは、２４Ｗのレベルである。

【0082】

従って、マルチパスセルを有する第１圧縮モジュールと毛細管を有する第２圧縮モジュールの組合せは、入射光ビームのエネルギーとは無関係に、いくつかの光サイクル以下の持続時間の短又は超短パルスを生成するべく（例えば、２つのマルチパスセルの使用によっては、或いは、２つの中空コアファイバによっては、可能ではない）、且つ、良好な空間品質を有する高エネルギーパルスを生成するべく（例えば、材料の２つのプレート又は２つの固体コアファイバの使用の場合には、当て嵌まらない）、（例えば、２つの毛細管を使用しては可能ではない）５０％超のエネルギー伝送の取得を可能にしている。

【0083】

本発明において記述されているレーザーシステム１は、通常は、例えば、３０ｆｓ未満などの、非常に短い持続時間のケースにおいて、少数の光サイクル／光パルスを有するシステムの場合に、有利な用途を見出している。これは、特に、極端紫外線又はＸ線において放出する供給源を有するレーザーシステムの場合に適用される。

【図1】

【図2】