プリズムコンプレッサー

プリズムコンプレッサーは、異なる波長成分に異なる時間遅延を与えることで、正チャープ超短レーザー パルスの持続時間を短縮するために使用される光学デバイスです。通常、2 つのプリズムと 1 つのミラーで構成されます。図 1 は、このようなコンプレッサーの構造を示しています。プリズム材料の分散により、異なる波長成分は異なる経路に沿って移動しますが、コンプレッサーは、すべての波長成分が異なる時間に、同じ方向にコンプレッサーから出るように構築されています。レーザーパルスの異なる波長成分がすでに時間的に分離されている場合、プリズム コンプレッサーはそれらを互いに重ね合わせることができ、これによりパルスが短くなります。

プリズム コンプレッサーは、通常、 Ti:サファイア モード ロックレーザー内部の分散を補正するために使用されます。レーザー パルスがレーザー キャビティ内の光学コンポーネントを通過するたびに、パルスは引き伸ばされます。キャビティ内のプリズム コンプレッサーは、キャビティ内のこの分散を正確に補正するように設計できます。また、レーザー キャビティ外部の超短パルスの分散を補正するためにも使用できます。

プリズムパルス圧縮は、1983年にDietelらによって単一のプリズムを使用して初めて導入されました。^[1]そして、4つのプリズムパルス圧縮器は1984年にForkらによって実証されました。^[2] 追加の実験的開発には、プリズムペアパルス圧縮器^[3]と半導体レーザー用の6つのプリズムパルス圧縮器があります。^{[4]パルス圧縮のための}マルチプリズム分散理論は 、 1982年にDuarteとPiperによって導入され、 ^[5] 1987年に2次導関数に拡張され、^[6]さらに2009年に高次の位相導関数に拡張されました。^[7]

2006年には、プリズムでのマルチパス配置を可能にする側面反射鏡を備えた大型プリズムを使用した追加のコンプレッサーが導入されました。^[8]

可視光に対して透明な光学材料のほとんどすべては、通常の、つまり正の分散を持っています。つまり、屈折率は波長が長くなるにつれて低下します。つまり、波長が長いほど、これらの材料を速く通過します。同じことがプリズム コンプレッサーのプリズムにも当てはまります。ただし、プリズムの正の分散は、より長い波長の成分が 2 番目のプリズムを通過する余分な距離によって相殺されます。波長が短いほど空気中を長い距離を移動するため、これはかなり微妙なバランスです。ただし、形状を慎重に選択することで、他の光学部品からの正の分散を補正できる負の分散を作成できます。これを図 3 に示します。プリズム P2 を上下にシフトすることで、コンプレッサーの分散は、屈折率n = 1.6 付近で負 (赤い曲線) にも正 (青い曲線) にもなります。プリズム P2 を上方向に移動できるのは短い距離だけなので、光線はプリズムを完全に逃してしまう ため、負の分散の範囲は比較的短くなります。

原理的には、α 角度を変えることでプリズム コンプレッサーの分散特性を調整できます。ただし、実際には、圧縮するスペクトルの中心波長で入射ビームと屈折ビームの角度が同じになるようにジオメトリが選択されます。この構成は「最小偏差角度」と呼ばれ、任意の角度よりも調整が簡単です。

BK7 ガラスなどの一般的な材料の屈折率は、超短パルスがカバーする数十ナノメートルの範囲内でわずかな量 (0.01 ～ 0.02) しか変化しません。実用的なサイズでは、プリズム コンプレッサーは、波長成分間の経路長の差を数百 μm しか補正できません。ただし、屈折率の大きい材料 (SF10、SF11 など) を使用すると、補正距離を mm レベルまで拡張できます。この技術は、フェムト秒レーザー キャビティ内で Ti:サファイア結晶の補正に、また外部では他の要素によって導入される分散の補正に効果的に使用されています。ただし、プリズム コンプレッサー自体だけでなく、他の光学要素によっても高次分散が導入されます。これは、超短パルスを注意深く測定して位相歪みを補正することで修正できます。MIIPSは、高次分散を自動的に測定して補正できるパルス整形技術の 1 つです。パルス整形の複雑なバージョンとして、エンドミラーは傾いたり変形したりすることがあり、光線が同じ経路を戻らなかったり、発散したりすることがあります。

図4では、中心波長が でスペクトル帯域幅が のレーザーパルスについて、溶融シリカ製のプリズムペアコンプレッサーの分散オーダーの特性が、 と表記される第1プリズムの挿入深さの関数として描かれています。評価には、高次の分散の一般化された定式化であるラ・ラゲール光学形式を採用しています。 ^{[9] [10]}コンプレッサーは、プリズム間の分離が の場合のブリュースター角付近、最小波長での2番目のプリズムの挿入深さが、および溶融シリカプリズムの頂角が で評価されます。 ${\displaystyle \ell_{1}}$${\displaystyle 780{\text{nm}}}$${\displaystyle \Delta \lambda =30{\text{nm}}}$${\displaystyle L=30{\text{cm}}}$${\displaystyle \ell _{2}={\text{1 mm}}}$${\displaystyle \lambda _{分}}$${\displaystyle \alpha =69.06^{\circ}}$

レーザーパルス圧縮に適用可能な一般化プリズムアレイの角度分散は、多重プリズム分散理論を用いて正確に計算することができる。^{[5] [6] [7]} 特に、分散、その一次導関数、および二次導関数は次のように与えられる。^{[5] [6] [7] [11]}

${\displaystyle \nabla_{n}\phi_{2,m}=H_{2,m}+(M^{-1}){\bigg (}H_{1,m}\pm \nabla_{n}\phi_{2,(m-1)}{\bigg )}}$

${\displaystyle \nabla_{n}^{2}\phi_{2,m}=\nabla_{n}H_{2,m}+(\nabla_{n}M^{-1}){\bigg (}H_{1,m}\pm \nabla_{n}\phi_{2,(m-1)}{\bigg )}+(M^{-1}){\bigg (}\nabla_{n}H_{1,m}\pm \nabla_{n}^{2}\phi_{2,(m-1)}{\bigg )}}$

${\displaystyle \nabla_{n}^{3}\phi_{2,m}=\nabla_{n}^{2}H_{2,m}+(\nabla_{n}^{2}M^{-1}){\bigg (}H_{1,m}\pm \nabla_{n}\phi_{2,(m-1)}{\bigg )}+2(\nabla_{n}M^{-1}){\bigg (}\nabla_{n}H_{1,m}\pm \nabla_{n}^{2}\phi_{2,(m-1)}{\bigg )}+(M^{-1}){\bigg (}\nabla_{n}^{2}H_{1,m}\pm \nabla_{n}^{3}\phi _{2,(m-1)}{\bigg )}}$

どこ

${\displaystyle \nabla _{n}=\部分 /\部分 n}$

${\displaystyle \,M=k_{1,m}k_{2,m}}$

${\displaystyle \,k_{1,m}=\cos \psi _{1,m}/\cos \phi _{1,m}}$

${\displaystyle \,k_{2,m}=\cos \phi _{2,m}/\cos \psi _{2,m}}$

${\displaystyle \,H_{1,m}=(\tan \phi _{1,m})/n_{m}}$

${\displaystyle \,H_{2,m}=(\tan \phi _{2,m})/n_{m}}$

角度量は多重プリズム分散理論 の論文で定義されており、高次の微分はDuarteによって与えられている。^{[7] [11] [12]}

最も一般的な他のパルス コンプレッサーはグレーティング(チャープ パルス増幅を参照) に基づいており、プリズム コンプレッサーよりもはるかに大きな負の分散を簡単に作成できます (10 分の 1 ミリメートルではなくセンチメートル)。ただし、グレーティング コンプレッサーでは、グレーティングの金属コーティングでの高次回折と吸収損失により、少なくとも 30% の損失が発生します。適切な反射防止コーティングを施したプリズム コンプレッサーでは損失が 2% 未満になるため、レーザー キャビティ内で実行可能なオプションになります。さらに、プリズム コンプレッサーはグレーティング コンプレッサーよりも安価です。

別のパルス圧縮技術では、チャープミラーを使用します。チャープミラーは、反射が負の分散を持つように設計された誘電体ミラーです。チャープミラーは製造が難しく、さらに分散量が非常に小さいため、単一のプリズムコンプレッサと同じ分散量を達成するには、レーザービームを何度も反射する必要があります。つまり、調整が困難です。一方、チャープミラーコンプレッサの分散は、特定の分散曲線を持つように製造できますが、プリズムコンプレッサでは自由度がはるかに低くなります。チャープミラーコンプレッサは、非常に広い帯域幅のパルスを圧縮する必要があるアプリケーションで使用されます。

• チャープパルス増幅
• チタンサファイアレーザー
• モードロック
• 超短パルス
• MIIPS は、フェムト秒レーザーパルスの高次歪みを較正および補正する技術です。
• 多重プリズム分散理論