特許ウォッチ

公開番号2025016780
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-02-04
出願番号2024195968,2022510814
出願日2024-11-08,2020-08-10
発明の名称光学パラメトリックチャープパルス増幅器
出願人コヒレント, インコーポレイテッド
代理人個人,個人,個人,個人,個人
主分類G02F 1/39 20060101AFI20250128BHJP(光学)
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
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。
続きを表示（約 4,400 文字）【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。
【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。
【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（ＹＶＯ
４
）等のネオジム（Ｎｄ
３＋
）またはイッテルビウム（Ｙｂ
３＋
）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「Ｄｅｓｉｇｎｃｒｉｔｅｒｉａｆｏｒｕｌｔｒａｆａｓｔｏｐｔｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｒｉｃａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ」（Ｃ．ＭａｎｚｏｎｉａｎｄＧ．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】
「Ｄｅｓｉｇｎｃｒｉｔｅｒｉａｆｏｒｕｌｔｒａｆａｓｔｏｐｔｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｒｉｃａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ」（Ｃ．ＭａｎｚｏｎｉａｎｄＧ．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、
【図面の簡単な説明】
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許