特許7555937多段光パラメトリックモジュールおよびそのモジュールを組み込むピコ秒パルスレーザ発生源
(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】2024-09-13
(45)【発行日】2024-09-25
(54)【発明の名称】多段光パラメトリックモジュールおよびそのモジュールを組み込むピコ秒パルスレーザ発生源
(51)【国際特許分類】
G02F 1/39 20060101AFI20240917BHJP
【ＦＩ】
G02F1/39
【請求項の数】
20
(21)【出願番号】P 2021544625
(86)(22)【出願日】2020-01-29
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-04-26
(86)【国際出願番号】 US2020015631
(87)【国際公開番号】W WO2020160116
(87)【国際公開日】2020-08-06
【審査請求日】2023-01-13
(31)【優先権主張番号】62/799,504
(32)【優先日】2019-01-31
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/799,512
(32)【優先日】2019-01-31
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】501012517
【氏名又は名称】アイピージー フォトニクス コーポレーション
(74)【代理人】
【識別番号】100108453
【弁理士】
【氏名又は名称】村山 靖彦
(74)【代理人】
【識別番号】100110364
【弁理士】
【氏名又は名称】実広 信哉
(74)【代理人】
【識別番号】100133400
【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 達彦
(72)【発明者】
【氏名】パンチョ・ツァンコフ
(72)【発明者】
【氏名】アレックス・ユシム
(72)【発明者】
【氏名】イゴール・サマルツェフ
(72)【発明者】
【氏名】パンカジ・カドワニ
(72)【発明者】
【氏名】アレクセイ・アヴドキン
(72)【発明者】
【氏名】アンドレアス・ヴォーペル
【審査官】堀部 修平
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１６／００２６０６６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１８／２２４５０３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特表２０１７－５１３２１１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－１８３５１４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－１７７６４１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－００７４７６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－０３２２７７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－３２４６１３（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／０３３７５０８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】中国特許出願公開第１０９３２６９５０（ＣＮ，Ａ）
【文献】TZANKOV, Pancho et al.，Yb-Fiber Laser Pumped Optical Parametric Sources Using LBO Crystals，Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO)，2019年05月05日，pp. 1-2，DOI: 10.1364/CLEO_AT.2019.JTu2A.95
【文献】MARHIC, Michel E. et al.，High-nonlinearity fiber optical parametric amplifier with periodic dispersion compensation，Journal of Lightwave Technology，1999年，Vol. 17, No. 2，p.210-215，DOI: 10.1109/50.744225
【文献】MAYER, B. W. et al.，Sub-4-Cycle Pulses Directly From an All-Collinear, High-Repetition-Rate, Mid-IR OPCPA，CLEO 2014，2014年，DOI: 10.1364/CLEO_SI.2014.STH4E.6
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｆ １／００ － １／１２５
Ｇ０２Ｆ １／２１ － １／３９
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ポンプ波長λｐの直線偏波ポンプビームを受け取り、波長λ３の信号ビームおよび波長λ４のアイドラビームを発生させるように構成される、上流光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）段であって、ポンプビーム、信号ビーム、およびアイドラビームが単一の光経路に沿って伝播する、上流光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）段と、前記光経路に沿って互いに光学的に結合される複数の中間ＯＰＡ段であって、各後続ＯＰＡ段が、先行するＯＰＡ段からの前記ポンプビームの次第に弱くなる部分、および先行するＯＰＡ段からの増幅信号ビームを受け取る、複数の中間ＯＰＡ段と、
前記光経路に沿って前記中間ＯＰＡ段と交番する複数の時間遅延補償（ＴＤＣ）組立体であって、ポンプビームと信号ビームの間の群速度の不整合を補償し、前記ポンプビームおよび信号ビームを前記光経路に沿って案内する一方で、各パラメトリック相互作用後に前記アイドラビームの伝播を防ぐように構成される、複数の時間遅延補償（ＴＤＣ）組立体と、
ポンプビームおよび増幅信号ビームを受け取り、前記信号ビームの前記波長λ３と異なる所望の出力波長λｏで出力ビームを生成するように構成される出力ＯＰＡ段と、
を備える、多段光パラメトリック（ＯＰ）モジュール。
【請求項2】
前記信号ビームが、各々が光パラメトリック増幅器で構成される少なくとも２つ以上の中間ＯＰＡ段で次第に増幅され、前記光パラメトリック増幅器が、ＬＢＯ、ＢＢＯ、ＢｉＢＯ、ＫＴＰ、ＫＴＡ、周期分極ＬｉＮｂＯ３（ＰＰＬＮ）、または周期分極ＬｉＴａＯ３（ＰＰＬＴ）から選択される非線形結晶を各々が含む、請求項１に記載のＯＰモジュール。
【請求項3】
前記出力ビームを生成する前記出力ＯＰＡ段は、少なくとも１つまたは複数の和周波数発生（ＳＦＧ）パラメトリックデバイス、少なくとも１つまたは複数の２次高調波発生（ＳＨＧ）パラメトリックデバイス、または前記ＳＦＧパラメトリックデバイスとＳＨＧパラメトリックデバイスの組合せを含み、前記パラメトリックデバイスが前記非線形結晶を各々含む、請求項２に記載のＯＰモジュール。
【請求項4】
前記出力ＯＰＡ段が、２つの離間した上流ＳＦＧデバイスおよび下流ＳＦＧデバイス、ならびに前記上流および下流ＳＦＧデバイス間の１／２波長板で構成される、請求項１に記載のＯＰモジュール。
【請求項5】
前記ＴＤＣ組立体が、チャープミラー、ダイクロイックミラー、もしくは複屈折窓、または前記ミラーと複屈折窓の組合せで各々構成される、請求項１に記載のＯＰモジュール。
【請求項6】
前記ポンプ波長λｐが５１５ｎｍ波長に中心がある緑色光範囲にあって前記出力波長λｏが４４３～４６７ｎｍ波長範囲の青色光にある、または前記ポンプ波長λｐが１０３０ｎｍ波長に中心があるＩＲ光範囲にあって前記出力波長λｏが１７００～２５００ｎｍ範囲にある、請求項１に記載のＯＰモジュール。
【請求項7】
前記上流ＯＰＡ段、中間ＯＰＡ段、および出力ＯＰＡ段ならびにＴＤＣ組立体が、角がある前記単一の光経路に沿って配置される、または、真っ直ぐな単一光に沿ってすべて直列である、請求項１に記載のＯＰモジュール。
【請求項8】
信号ビームからポンプビームおよび出力ビームを分離することを実現する、少なくとも１つの波長フィルタをさらに備える、請求項１に記載のＯＰモジュール。
【請求項9】
前記上流ＯＰＡ段および中間ＯＰＡ段が、角がある前記単一の光経路に沿って互いに離間され、前記上流ＯＰＡ段および中間ＯＰＡ段が、前記単一の角がある光経路に沿った１つの方向および反対の平行でない方向に、前記ポンプビームおよび信号ビームが通過する光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）を各々含み、
前記出力ＯＰＡ段が、少なくとも１つまたは複数の和周波数発生（ＳＦＧ）パラメトリックデバイス、少なくとも１つまたは複数の２次高調波発生（ＳＨＧ）パラメトリックデバイス、または前記ＳＦＧパラメトリックデバイスとＳＨＧパラメトリックデバイスの組合せを含み、前記出力ＯＰＡ段が前記出力波長λｏの２つの出力ビームを生成し、偏波組立体が、前記出力ビームのうちの１つの直線偏波を偏移して、組み合わせた交差偏波した出力ビームを設けるように、異なる偏波と前記出力ビームをさらに組み合わせるように構成される、請求項１に記載のＯＰモジュール。
【請求項10】
単一の光経路に沿ってポンプ波長λｐの直線偏波パルスポンプビームを発生するように動作可能な、ｐｓファイバレーザベース光ポンプと、前記光ポンプから下流でポンプビームを受け取る波長変換パラメトリックモジュールであって、
前記波長変換パラメトリックモジュールは、
ポンプ波長λｐの直線偏波ポンプビームを受け取り、前記単一の光経路に沿って同軸で伝播する、波長λ３の信号ビームおよび波長λ４のアイドラビームを発生させるように構成される、上流光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）段、
前記光経路に沿って互いに光学的に結合される複数の中間ＯＰＡ段であって、各後続ＯＰＡ段が、先行するＯＰＡ段からの前記ポンプビームの次第に弱くなる部分、および先行するＯＰＡ段からの増幅信号ビームを受け取る、複数の中間ＯＰＡ段、
前記光経路に沿って前記中間ＯＰＡ段と交番する複数の時間遅延補償（ＴＤＣ）組立体であって、ポンプビームと信号ビームの間の群速度の不整合を補償し、前記ポンプビームおよび信号ビームを前記光経路に沿って案内する一方で、各パラメトリック相互作用後に前記アイドラビームの伝播を防ぐように構成される、複数の時間遅延補償（ＴＤＣ）組立体
で構成される、波長変換パラメトリックモジュールと、
ポンプビームおよび増幅信号ビームの一部を受け取り、所望の出力波長λｏで出力ビームを生成するように構成される出力ＯＰＡ段と、
を備える、ピコ秒（ｐｓ）単一モード（ＳＭ）パルスレーザ発生源。
【請求項11】
前記信号ビームが、各々が光パラメトリック増幅器で構成される少なくとも２つ以上の中間ＯＰＡ段で次第に増幅され、前記光パラメトリック増幅器が、ＬＢＯまたはＢＢＯまたはＢｉＢＯから選択される非線形結晶を各々が含む、請求項１０に記載のｐｓＳＭパルスレーザ発生源。
【請求項12】
前記出力ビームを生成する前記出力ＯＰＡ段は、少なくとも１つまたは複数の和周波数発生（ＳＦＧ）パラメトリックデバイス、少なくとも１つまたは複数の２次高調波発生（ＳＨＧ）パラメトリックデバイス、または前記ＳＦＧパラメトリックデバイスとＳＨＧパラメトリックデバイスの組合せを含み、前記パラメトリックデバイスが非線形結晶を各々含む、請求項１０に記載のｐｓＳＭパルスレーザ発生源。
【請求項13】
前記出力ＯＰＡ段が、２つの離間した上流ＳＦＧデバイスおよび下流ＳＦＧデバイス、ならびに前記上流および下流ＳＦＧデバイス間の１／２波長板で構成される、請求項１０に記載のｐｓＳＭパルスレーザ発生源。
【請求項14】
前記ＴＤＣ組立体が、チャープミラー、ダイクロイックミラー、もしくは複屈折窓、または前記ミラーと複屈折窓の組合せで各々構成される、請求項１０に記載のｐｓＳＭパルスレーザ発生源。
【請求項15】
前記ポンプ波長λｐが５１５ｎｍ波長に中心がある緑色光範囲にあって前記出力波長λｏが４４３～４６７ｎｍ波長範囲の青色光にあり、または前記ポンプ波長λｐが１０３０ｎｍ波長に中心があるＩＲ光範囲にあって前記出力波長λｏが１７００～２５００ｎｍ範囲にあり、前記出力波長λｏの青色光ｐｓパルスが最高１０００Ｗの平均パワーおよび１．５～３ｎｍスペクトル線幅範囲を各々有する、請求項１０に記載のｐｓＳＭパルスレーザ発生源。
【請求項16】
前記上流ＯＰＡ段、中間ＯＰＡ段、および出力ＯＰＡ段ならびにＴＤＣ組立体が、互いに直列である、または角がある前記単一の光経路の光に沿っている、請求項１０に記載のｐｓＳＭパルスレーザ発生源。
【請求項17】
信号ビームからポンプビームおよび出力ビームを分離することを実現する、少なくとも１つの波長フィルタをさらに備える、請求項１０に記載のｐｓＳＭパルスレーザ発生源。
【請求項18】
前記ファイバレーザベース光ポンプが、基本波長λｆのｐｓパルスの入力列を提供するパルス領域またはバースト領域で動作するように構成される、Ｙｂモードロックファイバレーザと、
パルス持続時間を伸ばし、伸張パルスの列を生成するように構成される、光パルス伸張器と、
前記光パルス伸張器に光学的に結合され、各パルスを複数の複製へとセグメント化するように構成される、パルス複製モジュールと、
前記パルス複製モジュールに光学的に結合され、各複製を増幅するように構成される、ファイバパワー増幅器と、
前記ファイバパワー増幅器に光学的に結合され、前記増幅した複製を前記基本波長のそれぞれのｐｓパルスに時間的に圧縮するように構成される、パルス圧縮器と、
前記ポンプ波長λｐの前記直線偏波パルスポンプビームを出力する、２次高調波発生器（ＳＨＧ）と、
を備える、請求項１０に記載のｐｓＳＭパルスレーザ発生源。
【請求項19】
前記パルス複製モジュールが、１つまたは複数の時間遅延段を含み、各遅延段が、入力ビームスプリッタ、出力溶融ファイバ光カプラ、およびその間に配設されて隣接する複製間に時間遅延をもたらす光ファイバ遅延線を含み、前記時間遅延が各連続段で予め規定された量だけ増減され、前記予め規定された量がすべての段で均一であるまたは少なくとも１つの段で異なる、請求項１８に記載のｐｓＳＭパルスレーザ発生源。
【請求項20】
前記光ポンプがファイバマスタ発振器およびパワー増幅器（ＭＯＰＡ）アーキテクチャを有し、前記ファイバマスタ発振器がリング共振器を有するＹｂモードロックファイバレーザであり、パワー増幅器がファイバ増幅器またはＹｂ：ＹＡＧである、請求項１８に記載のｐｓＳＭパルスレーザ発生源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ピコ秒レーザに関する。特に、本開示は、複数の非線形結晶ベースパラメトリック増幅器（ＯＰＡ）段で構成される光パラメトリックモジュールに基づく、高パワー擬似連続（ＱＣＷ）ピコ秒レーザ、およびＯＰＡモジュールを利用する用途に関する。
【背景技術】
【0002】
多くの科学用途および産業用途では、調整可能な中心波長、可変スペクトル幅を有し、可視周波数範囲の異なるパルス持続時間を有する高い平均パワーパルスレーザを必要とする。赤外線周波数範囲の高パワー単一モード（ＳＭ）レーザが発展してきており、様々な産業で幅広く利用されている一方、一般的には高パワー青色レーザ、具体的には超高速高パワー青色レーザは、数百ワットと少なくとも１ｋＷの間のいずれかの所望のパワー範囲では、まだ実施されていない。
【0003】
青色レーザ光を生成するための実用的な技術的手法は少ない。１つには、窒化ガリウム（ＧａＮ）に基づいて青色ダイオードレーザを製造することが挙げられる。ＧａＮベースダイオードレーザは、寿命が長いものとしては知られておらず、光効率が制限されてしまう。
【0004】
長年にわたり、超高速青色レーザベース発生源の開発に対する最も効果的な手法は、非線形変換、すなわち、Ｋｅｒｒレンズモードロック（ＫＬＭ）Ｔｉ－サファイアレーザ、Ｎｄ－ＹＡＧレーザ、モードロックＥＤＦＡ、およびより近年ではナノ秒（ｎｓ）Ｙｂファイバレーザを含む、モードロックレーザの周波数３倍化および４倍化に基づいていた。
【0005】
超高速青色レーザ発生源を開発する別の普及している手法は、パラメトリック非線形光デバイスに基づく。特に、緑色ポンプＯＰＡ、光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）、およびＯＰ発生器（ＯＰＧ）は、広い調整範囲および平均パワー拡張性に起因して、魅力的なレーザ発生源である。たとえば、同期ポンプ光パラメトリックデバイスは、広いスペクトル領域にわたって平均パワーを提供する、調整可能なコヒーレント放射の、実行可能な超高速発生源である。
【0006】
パラメトリックプロセス中のエネルギ変換則は、下記のとおりである。
【0007】
【数1】
【0008】
ＳＨＳ／ＳＨＩ－信号／アイドラの２次高調波発生は次式である。
【0009】
【数2】
【0010】
ＳＦＳ／ＳＦＩ－信号／アイドラおよびＩＲレーザ波長の和周波数発生（ＳＦＧ）
【0011】
【数3】
【0012】
図１は、特許文献１に開示されるような、段階的和周波数パラメトリック増幅器に基づいた青色レーザ発生源の例示の概略図を図示する。この概略図は、既存の青色レーザ発生源を適正に表しており、複数のミラー９によって、２つの異なる光学的アームに沿った、基本周波数とポンプ周波数それぞれにおける光の画分を案内する、スプリッタ１を含む。和周波数調整可能発生器（ＳＦＧ）１４に一緒に光学的に組み合わせると、出力は、レーザ分野の当業者にはよく知られている様式で生成されるそれぞれの異なる周波数で、４つの光信号１７、１８、１９、および２０を含む。スプリッタ、コンバイナ、および複数のミラーを有して示される２つのアームの概略図は、大きい占有面積ならびに複雑な構成を有しており、これらは、パラメトリック増幅に基づいた、既知の青色レーザの大きな欠点である。
【0013】
パラメトリックプロセスで使用する様々なＮＬＯの中でもとりわけ、三ホウ酸リチウムＬｉＢ３Ｏ５（ＬＢＯ）ＮＬ結晶は、並外れた損傷抵抗性および無吸収性であること、結果として、他の手段では容易に損傷する場合がある高パワーパラメトリックデバイスに好適であることが判明している。他のホウ酸塩ＮＬ結晶（β型ホウ酸バリウム、ＢａＢ２Ｏ４またはＢＢＯ、およびホウ酸ビスマス、ＢｉＢ３Ｏ６またはＢｉＢＯ）および周期分極ＮＬ結晶（ＰＰＬＴ、ＰＰＬＮ、およびＰＰＫＴＰ）は同様に効果的であってよく、それらがより大きい非線形係数ｄｅｆｆに主に起因して、パラメトリック増幅についてＬＢＯ結晶をしのぐ場合さえある。不運なことに、ＢＢＯおよびＢＩＢＯを使用するときの所望の最小パルスピークパワーは、採用される臨界位相整合条件に起因して、比較的高い。最も一般的な周期分極結晶は、光屈折性または光発色性損傷する傾向があり、このことによって平均パワーの変倍が制限される。さらに様々な用途だけが、高平均パワー青色光から恩恵を被ることができる。パラメトリック変換は、青色光生成に限定されない。パラメトリックプロセスによって生成される他の波長を、様々な産業で有利に使用することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0014】
【文献】米国特許第７，１０６，４９８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0015】
したがって、光スプリッタおよびコンバイナを特徴として有さない小型構造を有する調整可能な超短パラメトリックモジュールを提供することが望ましい。
【0016】
開示されるパラメトリックモジュールと組み合わせたｐｓパルスファイバレーザ発生源を提供することも望ましい。
【課題を解決するための手段】
【0017】
本開示の一態様によれば、多段光パラメトリック（ＯＰ）モジュールは、単一の光経路に沿って配置され、それぞれ、λｐの波長のポンプ光線、λ３の波長の信号光線、およびλｆの波長のＩＲ光線と相互作用する、上流光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）段、複数の中間光パラメトリック増幅段、および出力光パラメトリック増幅段で構成される。ＯＰＡ段は、各々が、単一の光経路に沿ってＯＰＡ段と交番する時間遅延補償（ＴＤＣ）組立体を備える。ＴＤＣ組立体は、各々が、ポンプビームと信号ビームの間の群速度の不整合を補償し、ＩＲビーム、ポンプビーム、および信号ビームをＯＰＡ段間の光経路に沿って案内する一方で、各後続のパラメトリック相互作用後にアイドラビームの伝播を防ぐように構成される。
【0018】
本開示のさらなる態様によれば、光ポンプは、光パラメトリックモジュールをポンピングする、直線偏波（ＬＰ）ｐｓファイバレーザ発生源で構成される。有利なことに、限定はしないが、開示される発生源は、赤色、緑色、および青色光を同時に出力するために使用することができる。ｐｓレーザ発生源は、１μｍスペクトル範囲の基本波長で出力を生成するために、チャープパルス増幅（ＣＰＡ）技法を使用するモードロックｐｓファイバレーザで構成される。所望の基本波長を適切に選択することによって、発生源は、１００Ｗを超える平均パルスパワーで、赤色光と青色光を同時に出力することができる。たとえば、基本波長は、１０３０ｎｍ、１０４８ｎｍ、１０６０ｎｍおよび１０７１ｎｍからなるグループから選択することができる。
【0019】
上の態様は、各々が、以下の具体的な記載および請求項に詳細に記載されるように、互いにすべてが構造的に組み合わせることが可能な多くの特徴によって特徴づけられる。各態様の特徴は、レーザ分野の当業者には容易に理解可能な方法で組み合わせることができる。
【0020】
本開示の上記および他の態様および特徴は、以下の図と組み合わせてより容易に明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】知られている従来技術にしたがった青色レーザの光概略図である。
【図2】本発明のファイバ光源の概略図である。
【図3D】ＯＰＡモジュールのさらに別の例を示す図である。
【図3E】本発明のＯＰＡモジュールのさらなる例を示す図である。
【図4A】１つの具体的な例にしたがった、本発明の青色レーザの詳細光概略図である。
【図4B】別の例にしたがった、本発明の青色レーザの詳細光概略図である。
【図5】開示されるＲＧ光源の青－赤波長の関係を図示する図である。
【図6】開示されるｐｓファイバレーザベースポンプモジュールの光概略図である。
【図7】本発明の態様にしたがったパルス複製モジュールの一例の概略図である。
【図8】本発明の態様にしたがったパルス複製モジュールの別の例の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0022】
ここで、開示されるシステムへの参照が詳細に行われる。可能な場合には、同じまたは同様の部品またはステップを言及するのに、図面および記載中で、同じまたは同様の参照番号が使用される。図面は、簡略化した形式であって、正確な尺度からは遠い。利便性および明瞭性だけのため、「接続する（ｃｏｎｎｅｃｔ）」、「結合する（ｃｏｕｐｌｅ）」、「組み合わせる（ｃｏｍｂｉｎｅ）」という用語および同様の用語は、それらの屈折形態と一緒に、直接で直ちに接続することを必ずしも示しておらず、介在する要素またはデバイスを通した接続をやはり含む。
【0023】
図２は、互いに光学的に結合される少数のモジュールを含む本発明の光源１０を概略的に図示する図である。ファイバレーザ発生源モジュール１２は、光経路に沿って、たとえば１０３０ｎｍ、１０４８ｎｍ、１０６０ｎｍ、または１０７１ｎｍから選択される基本波長λｆで伝播するｐｓＩＲパルスの列を生成するように動作可能である。ＩＲビームは、ＩＲ光の一部を、ポンプ波長λｐ＝λｆ／２でポンプ光へと変換することによって、ＳＨを生成するために、ポンプ１４のＮＬＯと相互作用する。ポンプ１４は、ファイバレーザ発生源１２をやはり含み、それぞれλｐおよびλｆの波長で、ポンプ光および残りのＩＲ光を出力するポンプモジュール１６の中にパッケージ化することができる。パラメトリックＮＬＯモジュール１８は、ポンプモジュール１６から受け取った出力を処理し、それぞれ信号波長、ポンプ波長、および青色波長で、赤色光、緑色光、および青色光を出力するように構成される。下で開示されるように、様々な構造の例が、本発明の概念を説明する。開示される例のすべてに共通なのは、以下の図により良好に図示されるような、単一の光経路に沿って配置されるいくつかのＯＰＡ段を含むＮＬＯモジュール１８の光概略図である。
【0024】
図３Ａ～図３Ｃは、図２のＮＬＯ１６の動作原理および構造を図示する。特に、図３Ａは、各々がＬＢＯ結晶を含む４つのＯＰＡ段を図示する。上流ＯＰＡ１は、７７７～８５４ｎｍ波長範囲の信号ビーム、すなわち赤色光を生成するように構成され、信号ビームは、後続の中間ＯＰＡ２～ＯＰＡ３段を通る光経路に沿って案内され、漸次増幅される。ファイバレーザ発生源１２のピークパワーが数ＭＷに制限されるために、示される概略図は、そこを伝播して発生する光成分の十分な増幅を実現するため、少なくとも３個以上の上流および中間ＬＢＯ ＯＰＡ段を含むことが必要である。レーザ発生源は、ここでは示されずに下で開示されるが、２次高調波発生器（ＳＨＧ）（図示せず）へと結合されるｐｓＩＲパルスを出力し、その後、ＩＲ光がフィルタ除外される一方で、量子ノイズとともにポンプ波長λｐで生成された緑色光が、上流ＬＢＯ ＯＰＡ段１へと結合される。結果として、後者は、緑色ポンプ光線、それぞれ、信号波長λ３での生成した赤色信号ビームおよびアイドラ波長λ４でのアイドラビームを出力する。
【0025】
超高速ＯＰＡは、ＬＢＯ結晶の出力におけるポンプビームと信号パルスビーム間の群速度の不整合の時間遅延補償（ＴＤＣ）を必要とする。したがって、ＬＢＯ ＯＰＡ段２の中で赤色信号ビームをさらにパラメトリック増幅する前に、伝播する緑色／ポンプおよび赤色信号ビームが、隣接するＬＢＯ ＯＰＡ段間のすべてのＯＰＡ段とインラインに配置されるＴＤＣ１に入射する。要約すると、ＯＰＡモジュール１８は、光経路に沿って互いに交番する、複数のＯＰＡ段およびＴＤＣで構成される。
【0026】
ＴＤＣは、チャープミラー、（アイドラを捨てる）ダイクロイックミラー、および様々な材料から作られ様々な温度で配置される複屈折窓を含むことができる構成要素の光学系である。その結果、たとえば、チャープミラーと材料分散の組合せを使用して、ＬＢＯの温度を変えることだけで、スペクトル調整を達成することができる。
【0027】
上で開示される動作は、示される４つの連続して配置される段ＯＰＡ１～ＯＰＡ４中で赤色信号が増幅されるたびに繰り返される一方で、各ＯＰＡ段で生成されるアイドラは、後続のＯＰＡ段の前に、指定されるＴＤＣ１～ＴＤＣ３によって捨てられる。当業者なら認めるように、アイドラが後続のＯＰＡ段へ結合される場合には、意味のあるパラメトリック相互作用が生じない。示される概略図の出力において、発生源の光は、ダイクロイックミラーなどといったスペクトルフィルタへと入射する。スペクトルフィルタは、増幅赤色信号に対して透過性であり、緑色ポンプ光を指定される出力に反射する。
【0028】
図３Ｂは、図３Ａの構成を有するＯＰＡブロックを図示するが、図２の本発明のモジュール１８の、出力青色光生成ＯＰＡ段の一例を表す。特に、図３Ａの概略図にしたがって増幅される、信号波長λ３の赤色信号ビームは、２次高調波すなわち青色光線を生成する出力ＬＢＯ ＳＨＧへとさらに結合される。追加のダイクロイックミラーは、赤色信号ビームを透過するが、生成した青色光線を反射する。
【0029】
図３Ｃは、出力青色光および赤色光の両方の偏波を利用する、出力青色光生成ＯＰＡ段の別の例を示す。特に、出力ＯＰＡ段は、光経路に沿って互いから離間される２つのＳＨＧで構成され、２重１／２波長板を含む第４のＴＤＣ４の側面に位置する。モジュール１８の出力において、交差偏波した青色光と残りの赤色光は、図２の発生源１０の出力においてこれらの光を分離する後続のダイクロイックミラーに入射する。図３Ｂおよび図３ＣのＮＬＯモジュール１８の概略図は、下で開示されるようなＲＧＢエンジンで有利に利用される、緑色光、赤色光、および青色光それぞれ用に別個の出力を設けることに留意されたい。
【0030】
図３Ｄおよび図３Ｅそれぞれの概略図は、基本波長λｆにおけるＩＲ光を利用するＮＬＯモジュール１８のどこかが異なる構成を図示しており、その一部は、ここには示さないが、ポンプ波長における緑色光線を生成するように構成される上流ＳＨＧに残る。特に図３Ｄは図３Ａ～図３Ｃそれぞれの構成と同様に構成される多段ＮＬＯモジュール１８を図示する。ＩＲ光は、図３Ａのものと同一に構築されたＯＰＡブロックに入射し、パラメトリック作用による影響を受けずにすべてのＯＰＡ段を通って伝播する。こうして、この図に示されるように、ＯＰＡブロックの出力は、ＩＲ光線、信号赤色光線、およびポンプ緑色光線を含み、そのすべては、赤色光とＩＲ光の両方には透過性であるが、緑色光を反射する出力上流ダイクロイックミラーに入射する。ＩＲ光線および赤色光線は、結合されるＩＲ光と赤色光を混合することの結果として、青色光を生成するＳＦＧ段へと結合される。光経路に沿ってＳＦＧから下流に離間される、出力下流ダイクロイックミラーは、青色光を反射し、ＩＲ光線および赤色光線の残りの部分を透過する。こうして、発生源１０は、赤色光線、緑色光線、および青色光線それぞれによって通過される３つの出力ポートを含む。
【0031】
図３Ｅは、図３Ｃのように、有利なことに、赤色光線、青色光線、およびＩＲ光線の直交偏波方向を利用する可能性を提供する。これは、離間した上流出力と下流出力、ＬＢＯ ＳＦＧ１およびＬＢＯ ＳＦＧ２およびＴＤＣ４の組合せによって実現される。後者は、３重１／２波長板ならびに他のミラーを含み、ＳＦＧ１とＳＦＧ２の間に配置される。上流出力ＳＦＧは、ＩＲ光線と赤色光線を混合し、青色光線出力がもたらされる。３つの光すべては、直線偏波光の偏波方向を偏移させる３重１／２波長板に入射する。下流ＳＦＧは、このＳＦＧの入力における青色光の偏波に直交する偏波方向を有する青色光の和周波数発生を実現する。下流ＳＦＧの出力において、交差偏波した光が、青色光線を反射し赤色／ＩＲ光線を透過する出力ダイクロイックミラーに入射する。
【0032】
上で議論した図３Ａ～図３Ｅを参照すると、開示される概略図は、インラインに配置されて、図示される配置構成全体にわたって、一緒に単一の光経路を規定する、交番するＯＰＡとＴＤＣによって特徴づけられるのを理解するのは簡単である。上で議論した構造の実験位相は、非常に有望な結果をもたらした。たとえば、５０％の変換効率で、図３Ａ～図３Ｃの超高速ＯＰＡは、標準のファイバレーザによって容易に達成される、５０～５００ｎＪのパルスエネルギによってポンピングすることができる。通常使用される周期分極材料の代わりに低吸収率高損傷閾値のＬＢＯバルクＮＬＯを使用して、光源１０の上で議論した概略図（図２）が、近い将来に、１．５～３ｎｍスペクトル範囲のスペクトル線幅を有する１ｋＷ超の青色光パルス出力を作り出すことができるのは十分に可能である。
【0033】
図４Ａは、４４３～４６７ｎｍ波長範囲で発生源青色出力を発生させる、光源１０の例示的な詳細光概略図を図示する。図示される概略図は、単一の直線で角がある光経路を提供するように構築される。しかし、レーザ分野の当業者は、図３Ａ～図３Ｅに示されるものと同様のインラインアーキテクチャを有して図３Ｄ～図３Ｅの概略図と同一に構成されるように、示される概略図を容易に再構成することができる。
【0034】
特に、レーザモジュール１２は、１０３０ｎｍの基本波長λｆでｐｓパルスのＩＲ光、および、ポンプ波長λｐ＝５１５ｎｍで緑色ポンプ信号を生成する。２次高調波発生期間に、ＩＲ光の一部は、図２のＳＨＧ１４中のポンプ信号に伝達される。基本波長およびポンプ波長におけるｐｓパルスの列は、パルスの各々を、ＮＬＯモジュール１８の上流段を構成するＯＰＧ／Ａパラメトリックデバイスの両方として機能する第１のＮＬＯ２６の中心領域へと向ける合焦レンズＬ２に入射する。第１の非線形結晶２６は、緑色ポンプビームと相互作用して、それぞれ、第３の信号波長λ３および第４の信号波長λ４で、赤色光信号ビームおよびアイドラビームを生成する。その一部が上流ＳＨＧ（図示せず）との相互作用後に残る、基本波長の組合せが、ＯＰＧ２６の出力とＳＦＳ４６の入力の間で自由に伝播し、上流ＯＰＡ段のＮＬＯ２６とポンプ信号ビームの間の相互作用後にλｐの波長のポンプ信号ビームの部分、およびλ３の波長の生成した赤色光信号ビームが、第１のダイクロイックミラー２８に入射する。ダイクロイック凹面鏡２８はアイドラに対して透過性であるが、１つの方向に対して反対で平行でない方向にポンプ光線および信号光線を反射し、その結果、反射光が、ＯＰＡとして働く同じＮＬＯ２６に入射する。ダイクロイックミラー２８は、したがって、反射したポンプ光線と赤色光線の間の群速度の不整合を補償するＴＤＣ組立体の一部である。反射光は、上流ＯＰＡ段のＮＬＯ２６を通して反対方向に伝播し、こうしてＮＬＯ２６中のものと類似のプロセスを他の方向で繰り返す。
【0035】
反射光が第１のＮＬＯ２６と相互作用すると、信号波長λ３の赤色信号ビームがさらに増幅される。波長λ４のアイドラビームが再び生成され、さらに減衰した緑色ポンプビームおよび増幅した赤色光線とともに、同軸で伝播する。ダイクロイック平面鏡３０に入射すると、ミラー３０を通って伝播する新たに発生したアイドラを除いたすべての波長の光線は、モジュール１８の少なくとも１つの中間ＯＰＡ段に向けて反射される。
【0036】
反射光線は、光を凹面鏡３４に案内する平面鏡３２にさらに入射して反射される。凹面鏡３４は、光を中間ＯＰＡ段の第２の非線形結晶を通して１つの方向に反射する。ポンプ信号と第２のＮＬＯ３６間の相互作用が、λ３の赤色信号をさらに増幅し、これが次いで残りのポンプ信号、赤色信号、およびアイドラとともにダイクロイック曲面鏡３８に入射する。アイドラは、このミラーを通して透過される。反射光は、第２のＮＬＯ３６を通して反対方向に伝播し、こうして上流ＯＰＡ段中のものと類似のプロセスを繰り返す。結果として、それぞれλ３、λｐ、λ４、およびλｆの増幅した赤色信号、ポンプの第３の部分、アイドラ、およびＩＲは、平面鏡４０に入射し、アイドラを除くすべての光を下流段へと向ける。
【0037】
以前のＯＰＡ段と同様に、下流段は、受け取った光をＬＢＯ ＮＬＯ４６を含むＳＦＧ（ＳＨＳと示される）を通して１つの方向に順次案内する、平面鏡４２および曲面鏡４４で構成される。後者は、波長λ３の以前に増幅した赤色光信号と、波長λｆの残りのＩＲ光を混合して、波長λｓｓｏ＝（１／λｆ＋ｌ／λ３）－１の発生源信号出力を生成する。したがって、出力ｐｓ青色光は、４４３～４６７ｎｍ波長範囲の波長で平面鏡５２を通して透過される。
【0038】
示されるように、それぞれポンプλ３波長および信号λｆ波長の残りの赤色光およびＩＲ光をさらに使用することができる。この光は、ＮＬＯ４６を通して反対方向に曲面鏡４８から反射され、平面鏡５０に入射する青色光を再び生成し、出力段の平面鏡５４に向けてさらに反射される。１／２波長板５６は、ミラー５４と光連通しており、青色光の偏波を、ミラー４８を通して通過した青色光の偏波に直交するように変えるように構成される。１／２波長板５６から下流で、薄膜偏光器（ＴＦＰ）５８が、所望の４４３ｎｍまたは４６７ｎｍの中心波長の青色光出力を組み合わせる。一般的な出力ＯＰＡ段は、様々なパラメトリックデバイスを単独で、または所望の出力波長を作り出すものと組み合わせて有することができる。したがって、和周波数、差周波数を含むすべてのタイプのパラメトリック生成、和周波数、差周波数を含む変換のタイプ、および２次高調波発生を、当業者が実現できる出力段を適切に構成することによって使用することができる。
【0039】
上で述べたように、すべてのＯＰＡ段は各々が単一パスＬＢＯ ＮＬＯを実現するように構成することができる。この修正形態では、図４Ａの概略図は、図３Ａ～図３Ｅに示されるものと同一のインラインアーキテクチャであるが２倍のＬＢＯ ＮＬＯを有するものを提供するように再構成することができる。
【0040】
図４Ｂは、３４３ｎｍの青色光線を出力する発生源１０の、本発明のＯＰＡモジュール１８の別の例を図示する。図４Ｂで利用される発生源は、３４３ｎｍポンプ波長で動作するｐｓＵＶファイバレーザ発生源（図示せず）を含む。図４Ａの概略図と全体的に同様に構成される、モジュール１８は、５１５ｎｍ波長のポンプビームを有して以前に開示されたモジュールのＳＦＧ ＮＬＯの代わりに、光パラメトリック増幅器を備える下流ＯＰＡ段を有する。
【0041】
様々なタイプのＮＬＯ結晶を、本開示の文脈内で利用することができる。結晶は、空間的ウォークオフが存在すればＷＯＣ板によって補償することができるために、完全位相整合してもしなくてもよい。こうして、ＢＢＯ、ＢＩＢＯ、ＫＴＰ、ＫＴＡ、周期分極ＬｉＮｂＯ３（ＰＰＬＮ）、周期分極ＬｉＴａＯ３（ＰＰＬＴ）などといった、結晶タイプを図２および図３の概略図に実装することができる。しかし、出力パワーで１００Ｗ以上を実現できる唯一の結晶はＬＢＯ（可能ならＢＩＢＯ）である。というのは、ＬＢＯは、すべての他の代替ＮＬＯ結晶よりも最低のバルク吸収率および最高の損傷閾値を有するためである。ＮＬＯは、非完全位相整合結晶であっても、そうでなくてもよい。空間的ウォークオフが存在する場合、当業者に知られているように補償することができる。各ＮＬＯ結晶を、個々に熱的に制御して、最良の位相整合条件を実現する。
【0042】
上で開示したＮＬＯモジュール１８は、１つのレーザ発生源から３原色すべてを生成する必要がある、視覚ディスプレイ中のＲＧＢエンジンで使用するときに、特に有利である。ＲＧＢエンジンの効率は、以下の主な考慮事項に基づく。第１に、原色の赤色、緑色、および青色は、人間の目が色域の９０％超を検出することができるように選択するべきである。第２に、画像歪を引き起こすスペックル現象は、最小化されて望ましくは除去されるべきである。また、ＲＧＢ光源は、高い壁コンセント効率および本明細書に開示されるようなファイバポンプの最小出力パワーにおける変換可視光の高い発光効率によって特徴づけるべきである。しかし、ディスプレイ産業は、図２の開示された発生源１０からの恩恵を被る唯一のものではない。たとえば、図３Ａ～図３Ｅに示される同じパラメトリックモジュール１８は、ポンプビームとしてＩＲ光線を使用し、ＬＢＯ結晶の代わりにＢＩＢＯ結晶を使用して、１．７～２．５μｍ波長範囲の出力を提供するように提示してきた。構造的に、出力ＯＰＡ段は、２つのＳＨＧで構成することができる一方、残りのＯＰＡ段は、図４Ａおよび図４Ｂのものと同様のパラメトリック増幅器で構成される。
【0043】
図２に戻って、ポンプモジュール１６は、イッテルビウム（Ｙｂ）ドープしたモードロックｐｓファイバレーザ１２を含む。大部分の産業用Ｙｂファイバレーザは、約１０３０ｎｍまたは１０６４ｎｍのいずれかの（放出）基本波長λｆで動作する。これらの波長のいずれかの選択によって、下で議論されるように、ＮＬＯモジュール１８の構成が決定する。
【0044】
図５は、ＳＨＧ１４が１０３０ｎｍ基本波長（図２）におけるＹｂファイバレーザ１２からのＩＲ信号と相互作用することによって生成される５１５ｎｍポンプ波長での、式１、２、および３に基づいた、青色－赤色波長間の関係を図示する。曲線１２０は、それぞれのポンプ波長の光と相互作用する２つの２次高調波発生器（ＳＨＧおよびＳＨＧｉ）の組合せを使用して決定される。あるいは、曲線１２０は、和周波数発生器（ＳＦＧおよびＳＦＧｉ）の組合せを使用してモデル化することができる。さらに別の代替実施形態によれば、曲線１２０は、ＳＦＧパラメトリックデバイスとＳＨＧパラメトリックデバイスの組合せを利用することによってモデル化される。この曲線１２０は、２つのＳＨＧデバイスまたは２つのＳＦＧデバイスを利用することによって、所望の赤色波長および青色波長を得ることができることを示す。青色光波長が、たとえば４４５ｎｍ波長に変えられるが、６１０ｎｍアイドラ波長が依然として必要な場合、ＳＦＧ段の組合せが曲線１２２に対応する。ＳＨＧ段とＳＦＧ段の組合せに対応する曲線１２４は、６１０ｎｍアイドラ波長が必要な場合には、この組合せを効率的なＲＧＢ１０には使用できないことを示す。パラメトリックデバイスの様々な組合せによって、所望の波長をもたらすことができる。任意の所望の波長に適合させるために、図３Ａ～図３Ｅおよび図４Ａ～図４ＢのＮＬＯモジュール１８の構造的な可撓性を利用して非常に容易に得られる、パラメトリックメカニズムの１つまたは別の組合せを最終的に定めるのは、光源１０の効率である。
【0045】
Ｔａｂｌｅ １（表１）は、４７８ｎｍおよび６１０ｎｍ波長のそれぞれで青色および信号（赤色）出力を発生させるため、１０３０ｎｍ基本波長の高効率ＲＧＢ発生源１０によって使用されるパラメトリック動作のタイプおよび必要なデータを提供する。分かるように、ＲＧＢ発生源１０は、６１０ｎｍ波長の所望の発生源アイドラ出力を生成するため、１２２０ｎｍ波長のＳＨＧを含むＮＬＯ１８で構成される。しかし、４７８ｎｍ波長の発生源出力信号を生成するために、ＳＨＧメカニズムは、効率的には働かない。しかし、８９２ｎｍの信号と相互作用するＳＦＧデバイスを使用することによって、４７８ｎｍ発生源信号出力のＲＧＢ発生源１０の効率的な動作が可能になる。表は、スペックルを回避するのを助ける、３ｎｍ、４ｎｍ、および５ｎｍ線幅それぞれでの、発生源信号、ポンプ、および発生源アイドラ出力についての線幅をやはり提供する。モジュール１２のレーザ発生源の最小パワーでの、赤色、緑色、および青色信号それぞれに対する基本波長のＩＲ光の変換効率は、８％と２０％の間であり、これは非常に高いと考えられる一方で、出力赤色および青色信号平均パワーは、それぞれ、１５８Ｗ、１０６Ｗ、および１１４Ｗであって、これは中型２Ｄ映画館ではやはり異常である。赤色および特に青色スペクトル領域それぞれの、このタイプのプロジェクタにとって、変換効率およびパワーで匹敵するものはないと信じられる。
【0046】
【表1】
【0047】
Ｔａｂｌｅ １（表１）に示される異なる波長の関係は、５１５ｎｍ波長のポンプ光を発生させる図２のポンプモジュール１６に基づく。他のポンプ波長は、明らかに、光パラメトリックプロセスのエネルギ変換則に基づいたパラメトリックＮＬＯモジュール１８で利用することができる。Ｔａｂｌｅ ２（表２）は、１０６４ｎｍ波長のＩＲ光のＳＨである、５３２ｎｍ波長の緑色光によってポンピングされるＯＰＡ／ＯＰＯから生成される信号赤色および青色波長を図示する。Ｔａｂｌｅ ２（表２）は、２Ｄ映画館で最も効率的な、１０６４ｎｍ発生源のＲＧＢ光源を表示する、データおよびパラメトリックメカニズムを提供する。
【0048】
【表2】
【0049】
図６は、パルス複製と組み合わせたチャープパルス増幅（ＣＰＡ）アーキテクチャを有するｐｓファイバ発生源１００に基づいたファイバレーザポンプモジュール１２を図示する。発生源１００は、全ファイバまたはＹＡＧベース構造を含む様々な構成を有することができる。好ましくは、発生源は、こうしてｐｓパルスの列を出力する主発振器、およびファイバまたは他のタイプの増幅器またはブースタ１５０を含むＭＯＰＡ構成を特徴とする。発生源１００は、シードとブースタの間にすべて配置されるパルス伸張器１３０、パルス複製モジュール１４０、アイソレータ１６０、および、ファイバブースタ１５０に続くパルス圧縮器１７０でさらに構成される。入力レーザパルス１１２は、パルス伸張器１３０を使用して時間を伸ばされ、ブースタ１５０および任意選択の前置増幅器１５４を含む増幅段で増幅されて、パルス圧縮器１７０を使用して圧縮解除される。増幅の前に、パルス複製モジュール１４０を使用して伸張パルス１３２が複製される。
【0050】
パルス伸張器１３０は、パルス１１２の入力列のパルス持続時間を伸ばし、ピークパワーを減らした伸張パルス１３２の列を生成するように構成される。いくつかの実施形態によれば、パルス伸張器１３０は、初期パルス列１１２のパルスを数ナノ秒の程度のパルス持続時間に伸ばし、いくつかの事例では、１０ｎｓであってよい。伸張レーザパルス１３２の繰り返し率は、パルス複製モジュール１４０によって増加させることができ、パルス複製モジュール１４０は、伸張レーザパルス１３２の光の波形を時間的に複製して、修正パルス列１４８を生成する。パルス伸張器１３０によって出力される、伸張レーザパルス１３２の列の時間プロットは、ｔのパルス周期および１／ｔのパルス繰り返し率を有する。いくつかの実施形態によれば、パルス複製器１４０は、修正パルス列１４８のレーザエネルギが連続的に見える程度にｔが減少されるように、伸張レーザパルスを複製するために使用することができる。修正パルス列１４８のほぼ連続波の特性は、パルス伸張器１３０によって実施される伸張と、パルス複製モジュール１４０によって実施される複製の両方の関数である。そのようなレーザ光を利用するシステムの例が、下でより詳細に議論される。パルス複製器１４０は、伸張レーザパルス１３２の繰り返し率を数十ＭＨｚおよび数ＧＨｚのレベルに増加させるように構成することができる。パルス伸張器１３０および／またはパルス複製モジュール１４０は、所望のピーク対平均パワー比率を有する修正パルス１４８を生成するように構成することができる。一例が下で議論される。
【0051】
パルス複製モジュール１４０は、入力溶融ファイバ光カプラおよび出力ファイバ光カプラを含む少なくとも２つのファイバ光カプラ、ならびに、入力溶融ファイバ光カプラと出力溶融ファイバ光カプラの間に配設される少なくとも１つの光ファイバ遅延線を備える全ファイバデバイスである。全ファイバ光カプラは、偏波保存性である。ファイバ光カプラは、単一モード非偏波保存性（ＰＭ）溶融ファイバ光カプラとして構成することもできる。パルス伸張器１３０およびパルス複製モジュール１４０の構成要素は、調整した（高い）繰り返し率でパルスを出力するように構成することができる。パルス圧縮器１７０は、チャープ増幅パルス１５３のパルス幅を圧縮する。パルス圧縮器の非限定の例としては、ＣＶＢＧおよびＴｒｅａｃｙ圧縮器などといった格子圧縮器、ならびにＭａｒｔｉｎｅｚ圧縮器およびプリズム圧縮器が挙げられる。
【0052】
パルス圧縮器１７０から出力される増幅圧縮レーザパルス１７４は、高い繰り返し率および高い平均パワーを有する超短パルスレーザ光として特徴づけることができる。この出力についての具体的な用途としては、高い平均パワーのＵＶレーザ放射の発生が挙げられ、下で議論される。
【0053】
図５は、パルス複製モジュール４４０の第１の例の概略図である。この構成によれば、入力溶融ファイバ光カプラ４４２は、ファイバ光スプリッタとして構成される。出力ファイバ光カプラ４４３の結合領域を出る２つのファイバのうちの１つは、修正パルス列１４８を含む出力４３６を形成する。光ビームスプリッタ４４２が入力４３４を有し、この事例では、入力４３４は、光パルス伸張器１３０に結合され（図４）、出力カプラ４４３の出力４３６は、ファイバパワー増幅器１５０に接続され、さもなくばファイバパワー増幅器１５０に結合される。パルス複製モジュール４４０は、入力カプラ４４２と出力カプラ４４３の間に配設される少なくとも１つのファイバ光カプラ４４４をやはり含む。
【0054】
入力スプリッタ４４２の出力のうちの１つに、単一モードファイバの好適な長さ（すなわち、光ファイバ遅延線４４５）を使用して、遅延τが加えられ、その結果、対のうちの１つの足または出力セグメント（４４５）は、他の足４４６と異なる（より長い）光学路長を有することになる。このことによって、スプリッタ４４２の両方の出力ファイバ４４５１および４４６１にτだけ分離した２つのパルスが発生される。次いで、これらの２つの出力がカプラ４４４の中で組み合わせられると、２τの遅延がこれらの経路のうちの１つに入れられて、２組の４つのパルスが生成される。このプロセスは、所望の数の複製が得られるまで、２つの経路間の異なる遅延を倍にすることによって繰り返すことができる。次いで、２つの経路は、コンバイナ４４３を使用して組み合わされる。遅延τの長さは、パルスが重なり合い干渉するのを回避するために、レーザパルスの長さよりわずかに長く選択することができる。
【0055】
パルス複製器４４０は、各連続段が伸張レーザパルス１３２に時間遅延をもたらすように、各々が光ファイバ遅延線４４５を含む複数の段４４９を備える。図５に示される例では、パルス複製器４４０は４つの段４４９１、４４９２、４４９３、および４４９４を含み、各段において、信号パワーが分割され、固定時間遅延で再び組み合わされる。複製の数が各段４４９（すなわち、５０：５０カプラ）で倍になるために、コンバイナ４４３へと伝播する２つの出力４４５４および４４６４は、各々が２ｘの複製を含む。ここで、ｘは使用される段数である（この例では、ｘ＝４）。こうして、パルス複製器４４０は、多段受動パルス複製器として構成される。ここで、各連続段が伸張レーザパルス１３２に固定時間遅延をもたらす。時間遅延は、各連続段で予め規定された量だけ増減することができる。
【0056】
複製器４４０の最終段４４５４および４４６４の出力は、出力４３６において修正パルス列１４８として時間遅延複製パルスの列を生成するために、コンバイナ４４３中で組み合わされる。図６に見られるように、ファイバの足４４５４および４４６４の８個の複製パルスの各々は、１６個のパルスを生成するためにコンバイナ４４３中で組み合わされる。これらの１６個のパルスは、パルスのバーストとして構成され、したがって、修正パルス列１４８は、各々が１６個のパルスを含む一連のパルスのバーストを含む。遅延線４４５１～４４５４の長さは、バースト繰り返し率（すなわち、バースト間時間間隔）を規定する。
【0057】
分かるように、パルス伸張器１３０およびパルス複製モジュール１４０の構成要素は、調整した繰り返し率でパルスを出力するように構成することができる。繰り返し率は、ピークパワーが不要な損傷を回避するのに十分低いが、効率的な周波数変換のために十分高いように選択することができる。ファイバカプラおよびパルス複製モジュールのファイバ遅延線は、様々なパルス形式を作成するために使用することができ、図８は、パルス複製モジュール５４０の別の例の概略図である。いくつかの実施形態によれば、パルス複製モジュールは、各々別個に構成できる一連のサブモジュールを含むことができる。たとえば、図５に示されるパルス複製モジュール５４０は、入力として、図７のパルス複製モジュール４４０からの出力を使用するが、複製モジュール５４０は、単独で使用すること、または他の構成を有するサブモジュールと組み合わせて使用することもできることを理解されたい。
【0058】
図６の複製モジュール４４０と同様の様式で、パルス複製モジュール５４０は、入力溶融ファイバ光カプラ５４２および出力ファイバ光カプラ５４３をやはり含む。入力カプラ５４２と出力カプラ５４３の間には、中間ファイバカプラ（５４４）、（５４７ａ）、および（５４７ｂ）がある。各段５４９からの遅延線を隣接する（下流の）段に向ける代わりに、図６の構成に示されるように、少なくとも１つの遅延線が１つまたは複数の下流段をバイパスする。この例によれば、遅延線５４５４は、第１の段５４９１の出力における中間カプラ５４４から出力コンバイナ５４３に向けられ、それによって、第２の段５４９２および第３の段５４９３をバイパスして第４の段５４９４の遅延線を形成する。そのため、各連続段に導入される時間遅延が増加し、すべてが互いに等しいとは限らない。図５に示されるように、この構成によって、９ｎｓの合計持続時間（エンベロープ）を有する初期の１６個のパルスバーストが、第４の段５４９１～５４９４を介して９０ｎｓのエンベロープを有する１６０個のパルスバーストに変換されることが可能になり、ここでは、各パルス持続時間が０．４５ｎｓであり、パルスは０．５６ｎｓだけ分離される。下のＴａｂｌｅ １（表３）は、各段を概説する。
【0059】
【表3】
【0060】
【0061】
こうして、少なくとも１つの例のいくつかの態様を記載してきたが、当業者には、様々な代替形態、修正形態、および改善形態が容易に想到されることを理解されたい。たとえば、本明細書に開示される例は、他の文脈でやはり使用することができる。そのような代替形態、修正形態、および改善形態は、本開示の部分であることが意図され、本明細書で議論される例の範囲内であることが意図される。したがって、上の記載および図面は、例のためだけにある。
【符号の説明】
【0062】
１ スプリッタ
９ ミラー
１０ 光源、発生源、ＲＧＢ、高効率ＲＧＢ発生源
１２ ファイバレーザ発生源モジュール、レーザモジュール、Ｙｂファイバレーザ
１４ ポンプ、ＳＨＧ
１６ ポンプモジュール、ＮＬＯ
１７ 光信号
１８ 光信号、パラメトリックＮＬＯモジュール、ＯＰＡモジュール、多段ＮＬＯモジュール
１９ 光信号
２０ 光信号
２６ 第１のＮＬＯ、第１の非線形結晶、ＯＰＧ
２８ 第１のダイクロイックミラー、ダイクロイック凹面鏡
３０ ダイクロイック平面鏡
３４ 凹面鏡
３６ 第２のＮＬＯ
３８ ダイクロイック曲面鏡
４０ 平面鏡
４２ 平面鏡
４４ 曲面鏡
４６ ＳＦＳ、ＬＢＯ ＮＬＯ
４８ 曲面鏡
５０ 平面鏡
５２ 平面鏡
５４ 平面鏡
５６ １／２波長板
５８ 薄膜偏光器、ＴＦＰ
１００ ｐｓファイバ発生源
１１２ 入力レーザパルス、初期パルス列
１２０ 曲線
１２２ 曲線
１２４ 曲線
１３０ パルス伸張器
１３２ 伸張レーザパルス
１４０ パルス複製モジュール、パルス複製器
１４８ 修正パルス列
１５０ 増幅器、ブースタ、ファイバブースタ
１５３ チャープ増幅パルス
１５４ 前置増幅器
１６０ アイソレータ
１７０ パルス圧縮器
１７４ 増幅圧縮レーザパルス
４３４ 入力
４３６ 出力
４４０ パルス複製モジュール、複製器
４４２ 入力溶融ファイバ光カプラ、光ビームスプリッタ、入力スプリッタ
４４３ 出力ファイバ光カプラ、コンバイナ
４４４ ファイバ光カプラ
４４５ 光ファイバ遅延線、足、出力セグメント
４４５１ 出力ファイバ、遅延線
４４５２ 遅延線
４４５３ 遅延線
４４５４ 遅延線、出力、最終段
４４６ 足
４４６１ 出力ファイバ
４４６４ 出力、最終段
４４９ 段
４４９１ 段
４４９２ 段
４４９３ 段
４４９４ 段
５４０ パルス複製モジュール
５４２ 入力溶融ファイバ光カプラ
５４３ 出力ファイバ光カプラ、出力コンバイナ
５４４ 中間ファイバカプラ
５４５４ 遅延線
５４７ａ 中間ファイバカプラ
５４７ｂ 中間ファイバカプラ
５４９ 段
５４９１ 第１の段
５４９２ 第２の段
５４９３ 第３の段
５４９４ 第４の段
９ ミラー
１０ 光源、発生源、ＲＧＢ、高効率ＲＧＢ発生源
１２ ファイバレーザ発生源モジュール、レーザモジュール、Ｙｂファイバレーザ
１４ ポンプ、ＳＨＧ
１６ ポンプモジュール、ＮＬＯ
１７ 光信号
１８ 光信号、パラメトリックＮＬＯモジュール、ＯＰＡモジュール、多段ＮＬＯモジュール
１９ 光信号
２０ 光信号
２６ 第１のＮＬＯ、第１の非線形結晶、ＯＰＧ
２８ 第１のダイクロイックミラー、ダイクロイック凹面鏡
３０ ダイクロイック平面鏡
３４ 凹面鏡
３６ 第２のＮＬＯ
３８ ダイクロイック曲面鏡
４０ 平面鏡
４２ 平面鏡
４４ 曲面鏡
４６ ＳＦＳ、ＬＢＯ ＮＬＯ
４８ 曲面鏡
５０ 平面鏡
５２ 平面鏡
５４ 平面鏡
５６ １／２波長板
５８ 薄膜偏光器、ＴＦＰ
１００ ｐｓファイバ発生源
１１２ 入力レーザパルス、初期パルス列
１２０ 曲線
１２２ 曲線
１２４ 曲線
１３０ パルス伸張器
１３２ 伸張レーザパルス
１４０ パルス複製モジュール、パルス複製器
１４８ 修正パルス列
１５０ 増幅器、ブースタ、ファイバブースタ
１５３ チャープ増幅パルス
１５４ 前置増幅器
１６０ アイソレータ
１７０ パルス圧縮器
１７４ 増幅圧縮レーザパルス
４３４ 入力
４３６ 出力
４４０ パルス複製モジュール、複製器
４４２ 入力溶融ファイバ光カプラ、光ビームスプリッタ、入力スプリッタ
４４３ 出力ファイバ光カプラ、コンバイナ
４４４ ファイバ光カプラ
４４５ 光ファイバ遅延線、足、出力セグメント
４４５１ 出力ファイバ、遅延線
４４５２ 遅延線
４４５３ 遅延線
４４５４ 遅延線、出力、最終段
４４６ 足
４４６１ 出力ファイバ
４４６４ 出力、最終段
４４９ 段
４４９１ 段
４４９２ 段
４４９３ 段
４４９４ 段
５４０ パルス複製モジュール
５４２ 入力溶融ファイバ光カプラ
５４３ 出力ファイバ光カプラ、出力コンバイナ
５４４ 中間ファイバカプラ
５４５４ 遅延線
５４７ａ 中間ファイバカプラ
５４７ｂ 中間ファイバカプラ
５４９ 段
５４９１ 第１の段
５４９２ 第２の段
５４９３ 第３の段
５４９４ 第４の段
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図3E】
【図4A】
【図4B】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
