分割パルス増幅(DPA)とは

分割パルス増幅は、超短パルス用の増幅器で生じる、余分な非線形位相シフトの問題を軽減するために導入された技術。この位相シフトは、利得媒質内に伝搬する、増幅されたパルスの高いピークパワーにより生じ、スペクトルの広帯域化やパルスの歪み、増幅器内の光損傷も引き起こす。

分割パルス増幅(DPA)の原理

分割パルス増幅の基本原理は、増幅の前に複数のパルスに分割し、それぞれを増幅させた後、パルスを再結合するというものである。理論上、このパルス分割は、ビームスプリッタ(例えば、部分的に反射する誘電体ミラー)を使用することによって達成できるが、光路長を高精度で調整しなければならないため再結合が難しい。そのため、分割および再結合のために提案された技術は、かなり早い時期に発明されたものである。直線偏光のパルスを複屈折結晶に入射させて、2つに分離させる。この時、偏光方向を結晶の光学軸に対して、45°回転させて結晶に入射する。結晶長は、分離された2つのパルスが重ならないような長さにする。(数ピコ秒の時間遅延であれば、容易に手頃な長さの結晶を手に入れることができる。)この方法を、結晶を追加して繰り返す。この時、追加の結晶は最初のものよりも長いものを選択する。理想的には、等間隔のパルス列を得るために、それぞれの結晶の長さを各ステップで倍になるように設計する。また、結晶の光学軸の向きも、結晶ごとに45°ずつ変化させる。

DPA-分割パルス増幅器の様子

図1:分割パルス増幅器の光学系。

増幅後の再結合は、ファラデー回転子等でパルス列の偏光を90°回転させた後、同じ結晶群の中を、逆方向にパルス列を伝搬させることで可能となる。他の方法としては、もう一つ結晶セットを用意してもよい。興味深いことは、結晶の長さを波長に一致させる必要無いということである。一致させないことによる影響は、再結合パルスがその後、直線偏光にならないことだけである。実際には、増幅器内のパルスの歪みも、再結合パルスの偏光に影響を与える可能性がある。各結晶で、パルスは2つになるので、5個の結晶があるとすると、25=32個のパルスが生成される。理論上、10個の結晶で210 = 1024のパルスを生成できるが、少なくとも一部の結晶は、とても長くする必要がある。ピコ秒パルスの場合、32個のパルス列でも十分効果はあるが、フェムト秒パルスでは、もっと多くのパルス列が要求される場合がある。

チャープパルス増幅(CPA)との比較

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