[发明专利]脉冲宽度变换装置和光放大系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种生成具有与输入光脉冲的脉冲宽度不同的脉冲宽度的输出光脉冲的脉冲宽度变换装置，以及具备光放大装置和脉冲宽度变换装置的光放大系统。

背景技术

为了使高强度超短脉冲激光装置稳定地动作，如非专利文献1所记载的那样，以下做法是重要的，即，在光放大前，通过脉冲宽度变换装置(脉冲扩展装置)来扩展光脉冲的脉冲宽度而成为啁啾脉冲(chirped pulse)，从而抑制光放大装置内光脉冲的瞬时强度降低，且在光放大后，通过脉冲宽度变换装置(脉冲压缩装置)来压缩光脉冲的脉冲宽度，从而增大光脉冲的尖端值(峰值)。这样的方法被称为啁啾脉冲放大法。

所谓啁啾脉冲，是指具有因光脉冲所包含的各波长成分不同而到达时间不同这种特性的光脉冲。根据构成光脉冲的波长带域的带域宽度，决定该光脉冲的脉冲宽度的下限。该下限被称为傅立叶极限(Fourier-limited)脉冲宽度。啁啾脉冲的脉冲宽度比傅立叶极限脉冲宽度宽。然而，通过使啁啾脉冲通过将构成的各波长成分的光路长度调整至规定长度的装置，可以将脉冲宽度压缩至傅立叶极限脉冲宽度的程度。

脉冲压缩装置通常是可以将上述啁啾脉冲压缩至傅立叶极限脉冲宽度的程度的装置。通过在高强度超短脉冲激光装置的最后级配置脉冲压缩装置，可以对放大后的高能啁啾脉冲的脉冲宽度进行压缩，且可以通过尽可能地缩短脉冲宽度来增大光脉冲的尖端值。此处，经过调整后，也可以输出具有比傅立叶极限脉冲宽度宽的时间宽度的光脉冲。

另一方面，这样的脉冲压缩装置也可以作为将光脉冲的脉冲宽度扩展而成为啁啾脉冲的扩展装置而起作用。这样的对光脉冲的脉冲宽度进行变换的脉冲宽度变换装置(脉冲压缩装置、脉冲扩展装置)具备某些分光元件作为必须的构成要素。作为分光元件，主要是利用棱镜等物质所固有的色散的分光元件、或利用由衍射光栅等元件构造产生的衍射效应的分光元件。

具备棱镜作为分光元件的脉冲宽度变换装置，光脉冲的脉冲宽度的可变范围小，难以适用啁啾脉冲放大法。因而，广泛地使用具备衍射光栅作为分光元件的脉冲宽度变换装置。图12～15是示出具备衍射光栅作为分光元件的脉冲宽度变换装置的构成例的图。

图12所示的脉冲变换装置2A具备4个反射型衍射光栅31～34。在该脉冲宽度变换装置2A中，输入光脉冲Pi由反射型衍射光栅31衍射而分光，由反射型衍射光栅32衍射而变成平行光束，由反射型衍射光栅33衍射而收敛，由反射型衍射光栅34衍射而进行合波，从而作为输出光脉冲Po输出。

图13所示的脉冲变换装置2B具备4个透过型衍射光栅21～24。在该脉冲宽度变换装置2B中，输入光脉冲Pi由透过型衍射光栅21衍射而分光，由透过型衍射光栅22衍射而变成平行光束，由透过型衍射光栅23衍射而收敛，由透过型衍射光栅24衍射而进行合波，从而作为输出光脉冲Po输出。

一直以来，主要使用如图12所示那样的具备4个反射型衍射光栅31～34的脉冲变换装置2A的结构。然而，与反射型衍射光栅相比较，透过型衍射光栅具有由于光吸收少的原因的热优越性，而且具有由于制造工序的原因的价格优越性。由于这样的原因，近年来，已逐渐使用如图13所示那样的具备4个透过型衍射光栅21～24的脉冲变换装置2B的结构。另外，也存在如图14、图15所示那样具备2个透过型衍射光栅的脉冲宽度变换装置2C、2D的结构。

图14所示的脉冲宽度变换装置2C具备2个透过型衍射光栅21、22。在该脉冲宽度变换装置2C中，输入光脉冲Pi由透过型衍射光栅21衍射而分光，由透过型衍射光栅22衍射而变成平行光束，通过直角棱镜40而使光路折返。通过直角棱镜40而使光路折返后的光脉冲，由透过型衍射光栅22衍射而收敛，由透过型衍射光栅21衍射而进行合波，从而作为输出光脉冲Po输出。

图15所示的脉冲宽度变换装置2D也具备2个透过型衍射光栅21、22。在该脉冲宽度变换装置2D中，输入光脉冲Pi由透过型衍射光栅21衍射而分光，由反射镜41、42依次反射，由透过型衍射光栅22衍射而变成平行光束，通过直角棱镜40而使光路折返。通过直角棱镜40而使光路折返后的光脉冲，由透过型衍射光栅22衍射而收敛，由反射镜42、41依次反射，由透过型衍射光栅21衍射而进行合波，从而作为输出光脉冲Po输出。

在图12～图15中，各衍射光栅的光栅的延伸方向为垂直于纸面的方向，除了由直角棱镜40产生的光路折返时以外，光脉冲平行于纸面行进。直角棱镜40通过2个反射面顺次使光脉冲反射，由此，相对于往路的光脉冲的光路，使返路的光脉冲的光路沿垂直于纸面的方向平行移动。