JP5438576B2 - Laser amplification apparatus and laser amplification method - Google Patents

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Description

本発明は、シグナル光をポンプ光で増幅するレーザ増幅装置及びレーザ増幅方法に関する。   The present invention relates to a laser amplification device and a laser amplification method for amplifying signal light with pump light.

近年の高出力レーザの進展には目覚ましいものがある。レーザ光は、空間位相が揃ったコヒーレント光であるため、レーザ光を収束させると、太陽光等のインコヒーレント光に比べて非常に高い集光輝度を得ることができる。このようなレーザ光の性質を利用して、産業界では、高出力レーザによるレーザ加工(切断、溶接、穴あけ、改質等)が普及し、理科学研究分野では、高密度物理研究(レーザ粒子加速、レーザによる宇宙物理の解明等)や、レーザ核融合の研究が進められている。   Recent progress in high power lasers is remarkable. Since the laser light is coherent light having a uniform spatial phase, when the laser light is converged, it is possible to obtain extremely high condensed luminance compared to incoherent light such as sunlight. Utilizing such properties of laser light, laser processing (cutting, welding, drilling, modification, etc.) using high-power lasers has become widespread in the industry, and high-density physical research (laser particles) in the field of scientific research. Acceleration, elucidation of space physics by laser, etc.) and laser fusion research.

レーザ光の高出力化を実現するために、光パラメトリック増幅(OPA:Optical Parametric Amplification)を利用することが考えられている。シグナル光及びポンプ光が位相整合条件を満たすように非線形結晶に入射させられると、ポンプ光からシグナル光にエネルギが変換されてシグナル光が増幅され、同時にアイドラ光が発生する。この過程が光パラメトリック増幅と呼ばれている。非特許文献1には、直列的に配置された複数の非線形結晶にシグナル光を順次入射させ、各非線形結晶において光パラメトリック増幅によりシグナル光を増幅するレーザ増幅装置が記載されている。   In order to realize high output of laser light, it is considered to use optical parametric amplification (OPA). When the signal light and the pump light are incident on the nonlinear crystal so as to satisfy the phase matching condition, energy is converted from the pump light to the signal light, the signal light is amplified, and idler light is generated at the same time. This process is called optical parametric amplification. Non-Patent Document 1 describes a laser amplifying apparatus in which signal light is sequentially incident on a plurality of nonlinear crystals arranged in series, and the signal light is amplified by optical parametric amplification in each nonlinear crystal.

岡田大、他10名、「光パラメトリックチャープパルス増幅システムにおける広スペクトル帯域光発生」、J. Plasma Fusion Res. Vol.85, No.6 (2009)、p.384−388、社団法人 日本プラズマ・核融合学会、平成21年6月25日Okada Univ., 10 others, “Generation of broadband light in optical parametric chirp pulse amplification system”, J. Plasma Fusion Res. Vol.85, No.6 (2009), p. 384-388, Japan Society for Plasma and Fusion Research, June 25, 2009

しかしながら、非特許文献1に記載されたようなレーザ増幅装置にあっては、後段の非線形結晶ほど高強度のレーザ光が入射することになる。従って、後段の非線形結晶においてレーザ損傷(高強度のレーザ光の入射による損傷)の発生を防止する必要性があることから、非特許文献1に記載されたようなレーザ増幅装置では、レーザ光の高出力化に限界がある。   However, in a laser amplifying apparatus as described in Non-Patent Document 1, a laser beam with higher intensity is incident on a later-stage nonlinear crystal. Therefore, since it is necessary to prevent the occurrence of laser damage (damage due to incidence of high-intensity laser light) in the subsequent nonlinear crystal, the laser amplification apparatus described in Non-Patent Document 1 There is a limit to high output.

そこで、本発明は、高品質なレーザ光を高出力で得ることができるレーザ増幅装置及びレーザ増幅方法を提供することを課題とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a laser amplification apparatus and a laser amplification method capable of obtaining high-quality laser light with high output.

上記課題を解決するために、本発明に係るレーザ増幅装置は、シグナル光をポンプ光で増幅するレーザ増幅装置であって、シグナル光を出力するシグナル光出力部と、ポンプ光を出力するポンプ光出力部と、シグナル光出力部から出力されたシグナル光、及びポンプ光出力部から出力されたポンプ光が入力され、シグナル光をポンプ光で増幅して出力する非線形結晶体と、を備え、非線形結晶体には、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように、1つのシグナル光に対して複数のポンプ光が入射させられ、複数のポンプ光は、非線形結晶体の光入射面において互いに異なる複数の位置に入射させられ、1つのシグナル光は、非線形結晶体の光入射面において複数のポンプ光が入射させられる複数の位置を含むように非線形結晶体に入射させられる、ことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a laser amplification device according to the present invention is a laser amplification device that amplifies signal light with pump light, a signal light output unit that outputs signal light, and pump light that outputs pump light. An output unit, a non-linear crystal that receives the signal light output from the signal light output unit and the pump light output from the pump light output unit, amplifies the signal light with the pump light, and outputs the non-linear crystal. A plurality of pump lights are incident on one signal light so that the phase matching condition of optical parametric amplification is satisfied , and the plurality of pump lights are different from each other on the light incident surface of the nonlinear crystal. One signal light is incident on the nonlinear crystal body so as to include a plurality of positions where a plurality of pump lights are incident on the light incident surface of the nonlinear crystal body. Ru brought Isa, characterized in that.

また、本発明に係るレーザ増幅方法は、シグナル光をポンプ光で増幅するレーザ増幅方法であって、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように、1つのシグナル光に対して複数のポンプ光を非線形結晶体に入射させ、複数のポンプ光を、非線形結晶体の光入射面において互いに異なる複数の位置に入射させ、1つのシグナル光を、非線形結晶体の光入射面において複数のポンプ光を入射させる複数の位置を含むように非線形結晶体に入射させる、ことを特徴とする。 The laser amplification method according to the present invention is a laser amplification method for amplifying signal light with pump light, and a plurality of pump lights are supplied to one signal light so as to satisfy a phase matching condition of optical parametric amplification. Incident into the nonlinear crystal , multiple pump lights are incident on different positions on the light incident surface of the nonlinear crystal, and one signal light is incident on the nonlinear crystal. It is made to inject into a nonlinear crystal body so that the several position to be made may be included .

これらのレーザ増幅装置及びレーザ増幅方法においては、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように、1つのシグナル光に対して複数のポンプ光が非線形結晶体に入射させられる。これにより、複数のポンプ光から1つのシグナル光にエネルギが変換されて、当該シグナル光が増幅されることになる。このとき、非線形結晶体に入射する複数のポンプ光の位相が互いに同一でなくても、シグナル光と各ポンプ光とのランダムな位相差はアイドラ光に移るので、1つのシグナル光は、複数のポンプ光の位相情報の影響を受けずに増幅されることになる。つまり、複数のポンプ光によって1つのシグナル光がコヒーレント光として増幅されることになる。よって、これらのレーザ増幅装置及びレーザ増幅方法によれば、1つのシグナル光を高品質なレーザ光として高出力で得ることができる。   In these laser amplifying apparatuses and laser amplifying methods, a plurality of pump lights are incident on the nonlinear crystal body with respect to one signal light so as to satisfy the phase matching condition of optical parametric amplification. As a result, energy is converted from a plurality of pump lights to one signal light, and the signal light is amplified. At this time, even if the phases of the plurality of pump lights incident on the nonlinear crystal are not the same, the random phase difference between the signal light and each pump light shifts to idler light. It is amplified without being affected by the phase information of the pump light. That is, one signal light is amplified as coherent light by a plurality of pump lights. Therefore, according to these laser amplification devices and laser amplification methods, one signal light can be obtained as a high-quality laser light with high output.

ここで、本発明に係るレーザ増幅装置は、非線形結晶体に入射させられる複数のポンプ光の強度を検出する光強度検出部と、光強度検出部によって検出された複数のポンプ光の強度が所定の関係となるように、ポンプ光出力部を制御する制御部と、を更に備えることが好ましい。この構成によれば、増幅後のシグナル光の強度分布に所定の関係を持たせることができる。   Here, the laser amplifying apparatus according to the present invention includes a light intensity detection unit that detects the intensity of a plurality of pump lights incident on the nonlinear crystal body, and a plurality of pump light intensities detected by the light intensity detection unit are predetermined. It is preferable to further include a control unit that controls the pump light output unit so as to satisfy the following relationship. According to this configuration, a predetermined relationship can be given to the intensity distribution of the amplified signal light.

このとき、制御部は、光強度検出部によって検出された複数のポンプ光の強度が互いに均一となるように、ポンプ光出力部を制御することが好ましい。この構成によれば、増幅後のシグナル光の強度分布を均一化することができる。   At this time, it is preferable that the control unit controls the pump light output unit so that the intensities of the plurality of pump lights detected by the light intensity detection unit are uniform with each other. According to this configuration, the intensity distribution of the signal light after amplification can be made uniform.

また、非線形結晶体は、複数の非線形結晶部を有し、1つのシグナル光は、複数の非線形結晶部を含むように非線形結晶体に入射させられ、複数のポンプ光は、非線形結晶部ごとに非線形結晶体に入射させられることが好ましい。この構成によれば、非線形結晶部におけるレーザ損傷の発生が防止されるように各非線形結晶部に入射するポンプ光の強度を抑制しても、非線形結晶部の数を増加させることで、増幅後のシグナル光を高出力化することができる。   The nonlinear crystal body has a plurality of nonlinear crystal parts, and one signal light is incident on the nonlinear crystal body so as to include a plurality of nonlinear crystal parts, and the plurality of pump lights are provided for each nonlinear crystal part. It is preferably incident on the nonlinear crystal. According to this configuration, even if the intensity of the pump light incident on each nonlinear crystal part is suppressed so that laser damage in the nonlinear crystal part is prevented, the number of nonlinear crystal parts is increased to increase the number of nonlinear crystal parts. The output of the signal light can be increased.

また、複数のポンプ光はそれぞれ所定の波長を有していてもよい。各ポンプ光は、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように非線形結晶体に入射させられるので、複数のポンプ光がそれぞれ所定の波長を有していても、1つのシグナル光をコヒーレント光として増幅させることができる。   Further, each of the plurality of pump lights may have a predetermined wavelength. Each pump light is incident on the nonlinear crystal so as to satisfy the phase matching condition of optical parametric amplification, so even if a plurality of pump lights each have a predetermined wavelength, one signal light is amplified as coherent light. Can be made.

本発明によれば、高品質なレーザ光を高出力で得ることができる。   According to the present invention, high-quality laser light can be obtained with high output.

本発明の一実施形態のレーザ増幅装置の構成図である。It is a block diagram of the laser amplifier of one Embodiment of this invention. 図1の光強度検出部によって取得された画像を示す図である。It is a figure which shows the image acquired by the light intensity detection part of FIG. 図1のレーザ増幅装置における光パラメトリック増幅の原理を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the principle of the optical parametric amplification in the laser amplifier of FIG. 図1のレーザ増幅装置における光パラメトリック増幅の原理を実証するための実験装置の構成図である。It is a block diagram of the experimental apparatus for demonstrating the principle of optical parametric amplification in the laser amplifier of FIG. 図4の実験装置により得られたポンプ光の近視野像を示す図である。It is a figure which shows the near-field image of the pump light obtained by the experimental apparatus of FIG. 図4の実験装置により得られたポンプ光の干渉パターン、ポンプ光の遠視野像、アイドラ光の遠視野像及びシグナル光の遠視野像を示す図である。It is a figure which shows the interference pattern of the pump light, the far field image of pump light, the far field image of idler light, and the far field image of signal light obtained by the experimental apparatus of FIG. 図4の実験装置により得られたポンプ光の干渉パターン、ポンプ光の遠視野像、アイドラ光の遠視野像及びシグナル光の遠視野像を示す図である。It is a figure which shows the interference pattern of the pump light, the far field image of pump light, the far field image of idler light, and the far field image of signal light obtained by the experimental apparatus of FIG. 図4の実験装置における増幅後のシグナル光の集光可能エネルギを示すグラフである。It is a graph which shows the condensable energy of the signal light after the amplification in the experimental apparatus of FIG. 本発明の他の実施形態のレーザ増幅装置の一部構成図である。It is a partial block diagram of the laser amplifier of other embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態のレーザ増幅装置の一部構成図である。It is a partial block diagram of the laser amplifier of other embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態のレーザ増幅装置の一部構成図である。It is a partial block diagram of the laser amplifier of other embodiment of this invention. 図11のレーザ増幅装置の一部拡大図である。FIG. 12 is a partially enlarged view of the laser amplification device of FIG. 11.

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the same or an equivalent part, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

図1に示されるように、レーザ増幅装置1は、1つのレーザ光源(シグナル光出力部)2と、複数のレーザ光源(ポンプ光出力部)3〜3(n:2以上の整数)と、非線形結晶体9と、を備えている。レーザ光源2は、例えば波長1054nmのシグナル光Lを出力する。レーザ光源3〜3は、例えば波長532nmのポンプ光Lp1〜Lpnをそれぞれ出力する。非線形結晶体9は、例えばタイプ1型BBO(ベータホウ酸バリウム)結晶からなる。非線形結晶体9は、シグナル光L及びポンプ光Lp1〜Lpnが入力されると、シグナル光Lをポンプ光Lp1〜Lpnで増幅して出力する。このように、レーザ増幅装置1は、シグナル光Lをポンプ光Lp1〜Lpnで増幅するものである。 As shown in FIG. 1, the laser amplifying apparatus 1 includes one laser light source (signal light output unit) 2 and a plurality of laser light sources (pump light output units) 3 1 to 3 n (n: an integer of 2 or more). And a nonlinear crystal body 9. The laser light source 2 outputs signal light L s having a wavelength of 1054 nm, for example. The laser light sources 3 1 to 3 n output pump lights L p1 to L pn having a wavelength of 532 nm, for example. The nonlinear crystal body 9 is made of, for example, a type 1 type BBO (beta-barium borate) crystal. When the signal light L s and the pump light L p1 to L pn are input, the nonlinear crystal body 9 amplifies the signal light L s with the pump light L p1 to L pn and outputs the amplified signal light. As described above, the laser amplifying apparatus 1 amplifies the signal light L s with the pump lights L p1 to L pn .

レーザ光源2から出射されたシグナル光Lは、波長板4及び偏光子5によって出力調整及び偏光制御が施されて直線偏光とされる。直線偏光とされたシグナル光Lは、ビーム拡大/縮小レンズ系6によってビームサイズ(ビーム径)の調整が施される。ビームサイズの調整が施されたシグナル光Lは、アパーチャ7によって所定の部分を切り抜かれ、その切り抜かれた像は、像転送用真空テレスコープ8によって非線形結晶体9上に転送される。これにより、回折効果に起因したビーム発散が抑制される。 The signal light L s emitted from the laser light source 2 is subjected to output adjustment and polarization control by the wave plate 4 and the polarizer 5 to be linearly polarized light. The beam size (beam diameter) is adjusted by the beam expansion / reduction lens system 6 for the signal light L s that has been linearly polarized. A predetermined portion of the signal light L s whose beam size has been adjusted is cut out by the aperture 7, and the cut out image is transferred onto the non-linear crystal 9 by the image transfer vacuum telescope 8. Thereby, the beam divergence resulting from the diffraction effect is suppressed.

各レーザ光源3〜3から出射されたポンプ光Lp1〜Lpnは、シグナル光Lと同様に、波長板4、偏光子5、ビーム拡大/縮小レンズ系6、アパーチャ7及び像転送用真空テレスコープ8を伝播する。ただし、ポンプ光Lp1〜Lpnの偏光方向は、非線形結晶体9において光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすために、シグナル光Lの偏光方向と直交するように調整される。ポンプ光Lp1〜Lpnは、非線形結晶体9の光入射面においてマトリックス状に配列されるようにミラー11によって反射され、更にダイクロイックミラー12によって非線形結晶体9側へ反射される。なお、シグナル光Lは、ダイクロイックミラー12を非線形結晶体9側へ透過する。 The pump lights L p1 to L pn emitted from the laser light sources 3 1 to 3 n are the wave plate 4, the polarizer 5, the beam expanding / reducing lens system 6, the aperture 7, and the image transfer, similarly to the signal light L s. It propagates through the vacuum telescope 8 for use. However, the polarization directions of the pump lights L p1 to L pn are adjusted to be orthogonal to the polarization direction of the signal light L s in order to satisfy the phase matching condition of the optical parametric amplification in the nonlinear crystal body 9. The pump lights L p1 to L pn are reflected by the mirror 11 so as to be arranged in a matrix on the light incident surface of the nonlinear crystal body 9 and further reflected by the dichroic mirror 12 to the nonlinear crystal body 9 side. The signal light L s passes through the dichroic mirror 12 to the nonlinear crystal body 9 side.

非線形結晶体9には、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように、1つのシグナル光Lに対して複数のポンプ光Lp1〜Lpnが入射させられる。すなわち、タイプ1型BBO結晶からなる非線形結晶体9に、波長1054nmのシグナル光L及び波長532nmのポンプ光Lp1〜Lpnを入射させる場合、非線形結晶体9での屈折率が等しくなるように結晶切出し角度(非線形結晶体9の結晶軸とレーザ光(シグナル光L、ポンプ光Lp1〜Lpn)の伝搬方向とのなす角)を22.8°とする。そして、ポンプ光Lp1〜Lpnの偏光方向を、非線形結晶体9の結晶軸とレーザ光の伝搬方向とがなす面方向(異常光線面方向、e軸方向)とし、シグナル光Lの偏光方向を、e軸方向と直交する方向(通常光線面方向、O軸方向)とする。 A plurality of pump lights L p1 to L pn are incident on the nonlinear crystal body 9 with respect to one signal light L s so as to satisfy the phase matching condition of optical parametric amplification. That is, when the signal light L s having a wavelength of 1054 nm and the pump lights L p1 to L pn having a wavelength of 532 nm are incident on the nonlinear crystal 9 made of type 1 type BBO crystal, the refractive index of the nonlinear crystal 9 is made equal. And the crystal cutting angle (angle formed by the crystal axis of the nonlinear crystal body 9 and the propagation direction of the laser light (signal light L s , pump light L p1 to L pn )) is 22.8 °. Then, the polarization direction of the pump light L p1 to L pn is the plane direction (abnormal ray plane direction, e-axis direction) formed by the crystal axis of the nonlinear crystal body 9 and the propagation direction of the laser beam, and the polarization of the signal light L s The direction is a direction orthogonal to the e-axis direction (normal light plane direction, O-axis direction).

このとき、非線形結晶体9は、回転及びあおり調整機構を有するステージ13上に設置されているので、シグナル光L及びポンプ光Lp1〜Lpnに対する非線形結晶体9の角度は、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように高精度で微調整される。これにより、非線形結晶体9では、ポンプ光Lp1〜Lpnからシグナル光Lにエネルギが変換されてシグナル光Lが増幅され、増幅されたシグナル光Lが非線形結晶体9から出射される。これと同時に、非線形結晶体9ではアイドラ光が発生するが、シグナル光Lとポンプ光Lp1〜Lpnとが数度の角度をなして伝搬するようにダイクロイックミラー12によって調整されるので、発生したアイドラ光は容易に取り除かれる。 At this time, since the nonlinear crystal body 9 is installed on the stage 13 having a rotation and tilt adjustment mechanism, the angle of the nonlinear crystal body 9 with respect to the signal light L s and the pump lights L p1 to L pn depends on the optical parametric amplification. Are fine-tuned with high accuracy so as to satisfy the phase matching condition. Thereby, in the nonlinear crystal body 9, energy is converted from the pump lights L p1 to L pn to the signal light L s to amplify the signal light L s , and the amplified signal light L s is emitted from the nonlinear crystal body 9. The At the same time, idler light is generated in the nonlinear crystal 9, but the signal light L s and the pump light L p1 to L pn are adjusted by the dichroic mirror 12 so as to propagate at an angle of several degrees. The generated idler light is easily removed.

非線形結晶体9から出射されたシグナル光Lは、干渉フィルタ14を透過して外部へ出射される。一方、エネルギ変換に使われなかったポンプ光Lp1〜Lpnは、非線形結晶体9を通過した後、干渉フィルタ14によって遮断される。なお、エネルギ変換に使われなかったポンプ光Lp1〜Lpnを、他の非線形結晶体9においてポンプ光として再利用してもよい。 The signal light L s emitted from the nonlinear crystal body 9 passes through the interference filter 14 and is emitted to the outside. On the other hand, the pump lights L p1 to L pn that have not been used for energy conversion pass through the nonlinear crystal body 9 and are then blocked by the interference filter 14. The pump lights L p1 to L pn that have not been used for energy conversion may be reused as pump light in other nonlinear crystal bodies 9.

レーザ増幅装置1は、制御部15と、光強度検出部16と、を更に備えている。制御部15は、例えば電気回路によるディレイ回路によって、シグナル光L及びポンプ光Lp1〜Lpnが非線形結晶体9に同時に到達するように、レーザ光源2及びレーザ光源3〜3の出射タイミングを制御する。これにより、非線形結晶体9で最大の増幅利得が得られる。 The laser amplification device 1 further includes a control unit 15 and a light intensity detection unit 16. The control unit 15 emits the laser light source 2 and the laser light sources 3 1 to 3 n so that the signal light L s and the pump light L p1 to L pn reach the nonlinear crystal body 9 at the same time by a delay circuit such as an electric circuit. Control timing. Thereby, the maximum amplification gain can be obtained with the nonlinear crystal body 9.

光強度検出部16は、非線形結晶体9に入射させられる複数のポンプ光Lp1〜Lpnの強度を検出する。光強度検出部16は、ポンプ光Lp1〜Lpnの波長に合わせられたアクロマートレンズ(色消しレンズ)17、及びCCDカメラ18を有している。これにより、光強度検出部16は、図2に示されるように、非線形結晶体9の光入射面においてマトリックス状に配列されたポンプ光Lp1〜Lpnの強度分布を示す画像を取得する。 The light intensity detector 16 detects the intensities of the plurality of pump lights L p1 to L pn incident on the nonlinear crystal body 9. The light intensity detection unit 16 includes an achromatic lens (achromatic lens) 17 and a CCD camera 18 that are matched to the wavelengths of the pump lights L p1 to L pn . Thereby, as shown in FIG. 2, the light intensity detection unit 16 acquires an image indicating the intensity distribution of the pump lights L p1 to L pn arranged in a matrix on the light incident surface of the nonlinear crystal body 9.

光強度検出部16は、取得した画像を制御部15に送信する。制御部15は、受信した当該画像に基づいて、非線形結晶体9の光入射面においてマトリックス状に配列されたポンプ光Lp1〜Lpnの強度が互いに均一となるように、レーザ光源3〜3をフィードバック制御する。これにより、非線形結晶体9の光入射面において互いに異なる位置にポンプ光Lp1〜Lpnが入射させられても、ポンプ光Lp1〜Lpnの入射位置に起因した利得のばらつきが抑制される。なお。ポンプ光Lp1〜Lpnの出力制御は、例えば、レーザ光源3〜3の励起光源(半導体レーザやフラッシュランプ等)の出力を調整することによって行われる。 The light intensity detection unit 16 transmits the acquired image to the control unit 15. Based on the received image, the control unit 15 controls the laser light sources 3 1 to 3 so that the intensities of the pump lights L p1 to L pn arranged in a matrix on the light incident surface of the nonlinear crystal 9 are uniform. 3 Perform feedback control of n . Thus, be caused to enter the pumping light L p1 ~L pn at different positions in the light incident surface of the nonlinear crystal 9, the variation of the gain due to the incident position of the pumping light L p1 ~L pn is suppressed . Note that. The output control of the pump lights L p1 to L pn is performed, for example, by adjusting the output of the excitation light sources (semiconductor laser, flash lamp, etc.) of the laser light sources 3 1 to 3 n .

ここで、上述したレーザ増幅装置1における光パラメトリック増幅の原理について説明する。   Here, the principle of optical parametric amplification in the laser amplification apparatus 1 described above will be described.

図3に示されるように、非線形結晶体9には、シグナル光L及びポンプ光Lp1〜Lpnが入力され、非線形結晶体9からは、ポンプ光Lp1〜Lpnで増幅されたシグナル光L、及びアイドラ光Li1〜Linが出力される。なお、シグナル光L、ポンプ光Lp1〜Lpn及びアイドラ光Li1〜Linは、非線形結晶体9の光入射面9a及び光出射面9bにおいて重なり合うが、図3では便宜上、別々に示している。 As shown in FIG. 3, the non-linear crystal 9, the signal light L s and the pump light L p1 ~L pn is input from the nonlinear crystal 9, amplified by the pumping light L p1 ~L pn Signal Light L s and idler light L i1 to L in are output. Note that the signal light L s , the pump light L p1 to L pn, and the idler light L i1 to L in overlap on the light incident surface 9a and the light exit surface 9b of the nonlinear crystal body 9, but are shown separately in FIG. 3 for convenience. ing.

シグナル光L、ポンプ光Lp1〜Lpn及びアイドラ光Li1〜Linの波長をそれぞれλ,λ,λとすると、光パラメトリック増幅の位相整合条件が満たされているので、波長λ,λ,λ間には次式(1)の関係が成立する(2π/λ,2π/λ,2π/λ:波数ベクトル)。これにより、シグナル光Lの波長λが1054nmであり、かつポンプ光Lp1〜Lpnの波長λが532nmであれば、アイドラ光Li1〜Linの波長λは1074nmとなる。
2π/λ=2π/λ+2π/λ…(1)
If the wavelengths of the signal light L s , the pump light L p1 to L pn and the idler light L i1 to L in are λ s , λ p , and λ i , respectively, the phase matching condition for optical parametric amplification is satisfied. The relationship of the following equation (1) is established between λ s , λ p , and λ i (2π / λ p , 2π / λ s , 2π / λ i : wave number vector). Accordingly, the wavelength lambda s of the signal light L s is 1054 nm, and if the wavelength lambda p of the pump light L p1 ~L pn is a 532 nm, the wavelength lambda i of the idler light L i1 ~L in becomes 1074 nm.
2π / λ p = 2π / λ s + 2π / λ i (1)

また、シグナル光L、ポンプ光Lp1〜Lpn及びアイドラ光Li1〜Linの位相をそれぞれφ,φpj,φijとすると(j:1〜n)、光パラメトリック増幅の位相整合条件が満たされているので、位相φ,φpj,φij間には次式(2)の関係が成立する。
φpj−φ−φij=π/2…(2)
If the phases of the signal light L s , the pump light L p1 to L pn and the idler light L i1 to L in are φ s , φ pj and φ ij (j: 1 to n), phase matching of optical parametric amplification Since the condition is satisfied, the relationship of the following equation (2) is established among the phases φ s , φ pj , and φ ij .
φ pj −φ s −φ ij = π / 2 (2)

ここで、特徴的なのは、非線形結晶体9に入射する複数のポンプ光Lp1〜Lpnの位相φpjが互いに同一でなくても、シグナル光Lと各ポンプ光Lp1〜Lpnとのランダムな位相差はアイドラ光Li1〜Linに移り、1つのシグナル光Lは、複数のポンプ光Lp1〜Lpnの位相情報の影響を受けずに増幅されることである。これは、ランダムな位相を有する複数のレーザ光(ポンプ光Lp1〜Lpn)から、均一位相を有する1つのレーザ光(シグナル光L)に、コヒーレント結合することと同じことを意味する。 Here, the characteristic is that even if the phases φ pj of the plurality of pump lights L p1 to L pn incident on the nonlinear crystal 9 are not the same, the signal light L s and the pump lights L p1 to L pn The random phase difference shifts to idler lights L i1 to L in , and one signal light L s is amplified without being affected by the phase information of the plurality of pump lights L p1 to L pn . This means the same thing as coherent coupling from a plurality of laser beams having a random phase (pump beams L p1 to L pn ) to one laser beam having a uniform phase (signal beam L s ).

上述した光パラメトリック増幅の原理を実証するために実験を行った。この実験では、ポンプ光を2ビームに分割した場合及びポンプ光を多ビームアレイに分割した場合のそれぞれの場合において、増幅後のシグナル光、及び光パラメトリック増幅で発生したアイドラ光のビーム特性を評価した。   An experiment was conducted to verify the principle of optical parametric amplification described above. In this experiment, the beam characteristics of amplified signal light and idler light generated by optical parametric amplification were evaluated in each of the case where the pump light was divided into two beams and the case where the pump light was divided into a multi-beam array. did.

実験装置は、図4に示されるとおりである。シグナル光用のレーザ光源2としては、Nd:YLFレーザ(波長1053nm、パルス幅20ns、繰り返し率10Hz)を用いた。また、ポンプ光用のレーザ光源3としては、Nd:YAGレーザの2倍高調波(波長532nm、パルス幅5ns、繰り返し率10Hz)を用いた。   The experimental apparatus is as shown in FIG. As the laser light source 2 for signal light, an Nd: YLF laser (wavelength 1053 nm, pulse width 20 ns, repetition rate 10 Hz) was used. As the laser light source 3 for pump light, a second harmonic of a Nd: YAG laser (wavelength 532 nm, pulse width 5 ns, repetition rate 10 Hz) was used.

そして、レーザ光源3から出射されたポンプ光には、波長板4及び偏光子5によって出力調整及び偏光制御を施し、ビーム拡大/縮小レンズ系6によってビーム径の調整を施した。その後段において、ポンプ光を2ビームに分割する場合には、プリズム対21,22を用い、2ビーム間の位相差を調整するために位相調整用プリズム23を用いた。一方、ポンプ光をランダム位相の多ビームアレイに分割する場合には、ランダム位相板24を用いた。   The pump light emitted from the laser light source 3 is subjected to output adjustment and polarization control by the wave plate 4 and the polarizer 5, and the beam diameter is adjusted by the beam expansion / reduction lens system 6. In the subsequent stage, when splitting the pump light into two beams, the prism pairs 21 and 22 were used, and the phase adjusting prism 23 was used to adjust the phase difference between the two beams. On the other hand, when the pump light is divided into multi-beam arrays with random phases, a random phase plate 24 is used.

そして、2ビーム化或いは多ビーム化されたポンプ光を、アパーチャ7に通過させた後、像転送用真空テレスコープ8によって非線形結晶体9上に転送した。非線形結晶体9としては、BBO(ベータホウ酸バリウム)結晶を用いた。   Then, the pump light converted into two beams or multiple beams was passed through the aperture 7 and then transferred onto the nonlinear crystal 9 by the image transfer vacuum telescope 8. As the nonlinear crystal 9, BBO (beta barium borate) crystal was used.

また、レーザ光源2から出射されたシグナル光には、波長板4及びグランレーザプリズム25によって出力調整及び偏光制御を施し、そのシグナル光を像転送用真空テレスコープ8によって非線形結晶体9上に転送した。なお、ポンプ光とシグナル光とを約同軸上にアライメントするためにダイクロイックミラー12を用いた。   The signal light emitted from the laser light source 2 is subjected to output adjustment and polarization control by the wave plate 4 and the Glan laser prism 25, and the signal light is transferred onto the nonlinear crystal 9 by the image transfer vacuum telescope 8. did. The dichroic mirror 12 was used to align the pump light and the signal light on the same axis.

図5(a)は、図4に示された実験装置によって2ビーム化されたポンプ光の近視野像である。一方、図5(b)は、図4に示された実験装置によって多ビーム化されたポンプ光の近視野像である。   FIG. 5A is a near-field image of pump light converted into two beams by the experimental apparatus shown in FIG. On the other hand, FIG. 5B is a near-field image of pump light converted into multiple beams by the experimental apparatus shown in FIG.

続いて、マッハツェンダー干渉計を用いて、2ビーム化されたポンプ光の干渉パターンを測定すると共に、その場合におけるポンプ光の遠視野像、増幅後のシグナル光の遠視野像、及び光パラメトリック増幅で発生したアイドラ光の遠視野像を測定した。測定結果は、図6に示されるとおりである。位相調整用プリズム23によって、2ビーム間の位相差を0rad,π/2rad,πrad,3π/2rad,2πradと変化させた。   Subsequently, using the Mach-Zehnder interferometer, the interference pattern of the two-beam pump light is measured, and in that case, the far-field image of the pump light, the far-field image of the amplified signal light, and the optical parametric amplification The far-field image of idler light generated in the above was measured. The measurement results are as shown in FIG. The phase difference between the two beams was changed to 0 rad, π / 2 rad, π rad, 3π / 2 rad, 2π rad by the phase adjusting prism 23.

図6(a),(e)に示されるように、ポンプ光において2ビーム間の位相差を0rad,2πradとした場合には、ポンプ光の遠視野像の集光パターンはシングルスポットとなり、アイドラ光及びシグナル光の遠視野像の集光パターンも同様にシングルスポットとなった。図6(b),(d)に示されるように、ポンプ光において2ビーム間の位相差をπ/2rad,3π/2radとした場合には、ポンプ光の遠視野像の集光パターンは干渉によって2つに分かれた。このとき、アイドラ光の遠視野像の集光パターンも2つに分かれたが、シグナルの遠視野像の集光パターンはシングルスポットとなった。図6(c)に示されるように、ポンプ光において2ビーム間の位相差をπradとした場合にも、同様の結果が得られた。   As shown in FIGS. 6A and 6E, when the phase difference between the two beams in the pump light is set to 0 rad and 2π rad, the condensing pattern of the far-field image of the pump light becomes a single spot, and the idler The condensing pattern of the far-field images of light and signal light was also a single spot. As shown in FIGS. 6B and 6D, when the phase difference between the two beams is π / 2 rad and 3π / 2 rad in the pump light, the condensing pattern of the far-field image of the pump light interferes. Divided into two. At this time, the condensing pattern of the far-field image of idler light was also divided into two, but the condensing pattern of the far-field image of the signal became a single spot. As shown in FIG. 6C, similar results were obtained when the phase difference between the two beams in the pump light was πrad.

このように、ポンプ光における2ビーム間の位相差にかかわらず、増幅後のシグナル光の遠視野像の集光パターンはシングルスポットで変わらなかった。このことから、2ビーム化されたポンプ光の位相情報はアイドラ光に移り、シグナル光は、2ビーム化されたポンプ光の位相情報の影響を受けずに増幅されることが実証された。   Thus, regardless of the phase difference between the two beams in the pump light, the condensing pattern of the far-field image of the amplified signal light did not change with a single spot. From this, it was proved that the phase information of the two-beam pump light is shifted to idler light, and the signal light is amplified without being influenced by the phase information of the two-beam pump light.

一方、マッハツェンダー干渉計を用いて、多ビーム化されたポンプ光の干渉パターンを測定すると共に、その場合におけるポンプ光の遠視野像、増幅後のシグナル光の遠視野像、及び光パラメトリック増幅で発生したアイドラ光の遠視野像を測定した。測定結果は、図7に示されるとおりである。   On the other hand, a Mach-Zehnder interferometer is used to measure the interference pattern of the multi-beam pump light, and in that case, the far-field image of the pump light, the far-field image of the amplified signal light, and optical parametric amplification A far-field image of the generated idler light was measured. The measurement results are as shown in FIG.

図7に示されるように、ランダム位相板24によって多ビーム化されたポンプ光の遠視野像の集光パターンは干渉によってスペックルパターンとなった。このとき、アイドラ光の遠視野像の集光パターンもスペックルパターンとなったが、シグナルの遠視野像の集光パターンはシングルスポットとなった。   As shown in FIG. 7, the condensing pattern of the far-field image of the pump light converted into multiple beams by the random phase plate 24 becomes a speckle pattern due to interference. At this time, the condensing pattern of the far-field image of idler light was also a speckle pattern, but the condensing pattern of the signal far-field image was a single spot.

このように、ポンプ光における多ビーム間の位相差にかかわらず、増幅後のシグナル光の遠視野像の集光パターンはシングルスポットとなった。このことから、多ビーム化されたポンプ光の位相情報はアイドラ光に移り、シグナル光は、多ビーム化されたポンプ光の位相情報の影響を受けずに増幅されることが実証された。   Thus, regardless of the phase difference between multiple beams in the pump light, the condensing pattern of the far-field image of the amplified signal light became a single spot. From this, it was proved that the phase information of the multi-beam pump light is shifted to the idler light, and the signal light is amplified without being influenced by the phase information of the multi-beam pump light.

次に、増幅後のシグナル光のビーム品質がポンプ光の数及び位相の影響を受けないことを定量的に評価するために、シグナル光の集光可能エネルギを測定した。その測定結果は、図8のとおりである。   Next, in order to quantitatively evaluate that the beam quality of the amplified signal light is not affected by the number and phase of the pump light, the condensable energy of the signal light was measured. The measurement results are as shown in FIG.

図8のグラフでは、Fナンバ(集光レンズの焦点距離f/ビーム径D)と波長λとの積で表わされる直径を横軸とし、その直径を有するアパーチャを通過した出力を規格化したものを縦軸とした。そして、2ビーム化されたポンプ光(位相差あり)によって増幅されたシグナル光(実施例1)、多ビーム化されたポンプ光(位相差あり)によって増幅されたシグナル光(実施例2)、増幅前のシグナル光(比較例)について評価を行った。   In the graph of FIG. 8, the horizontal axis represents the diameter represented by the product of the F number (focal length f / beam diameter D of the condenser lens) and the wavelength λ, and the output that has passed through the aperture having the diameter is normalized. Is the vertical axis. And the signal light (Example 1) amplified by the pump light (with phase difference) converted into two beams, the signal light (Example 2) amplified by the pump light (with phase difference) converted into multiple beams, The signal light before amplification (comparative example) was evaluated.

回折効果によって集光可能な直径には限界があり、空間ビームプロファイルがガウス型の場合、回折限界ビーム直径は2.4Fλである。図8に示されるように、実施例1,2では、比較例と同様に、回折限界ビーム直径においてシグナル光の集光特性が80%以上となった。   The diameter that can be collected by the diffraction effect is limited, and when the spatial beam profile is a Gaussian type, the diffraction limited beam diameter is 2.4 Fλ. As shown in FIG. 8, in Examples 1 and 2, as in the comparative example, the signal light condensing characteristic was 80% or more at the diffraction limited beam diameter.

以上の実験により、位相のそろっていない複数のポンプ光から、位相のそろった均一波面のシグナル光が得られることが確認された。これにより、ランダムな位相を有する複数のレーザ光(ポンプ光)から、均一位相を有する1つのレーザ光(シグナル)に、コヒーレント結合することが実証された。   From the above experiments, it was confirmed that uniform-wavefront signal light with uniform phase can be obtained from a plurality of pump lights with non-uniform phases. As a result, it has been demonstrated that coherent coupling is performed from a plurality of laser beams (pump beams) having a random phase to a single laser beam (signal) having a uniform phase.

以上説明したように、レーザ増幅装置1(及び当該装置1で実施されるレーザ増幅方法)においては、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように、1つのシグナル光Lに対して複数のポンプ光Lp1〜Lpnが非線形結晶体9に入射させられる。これにより、複数のポンプ光Lp1〜Lpnから1つのシグナル光Lにエネルギが変換されて、当該シグナル光Lが増幅されることになる。このとき、非線形結晶体9に入射する複数のポンプ光Lp1〜Lpnの位相が互いに同一でなくても、シグナル光Lと各ポンプ光Lp1〜Lpnとのランダムな位相差はアイドラ光Li1〜Linに移るので、1つのシグナル光Lは、複数のポンプ光Lp1〜Lpnの位相情報の影響を受けずに増幅されることになる。つまり、複数のポンプ光Lp1〜Lpnによって1つのシグナル光Lがコヒーレント光として増幅されることになる。よって、レーザ増幅装置1(及び当該装置1で実施されるレーザ増幅方法)によれば、非線形結晶体9におけるレーザ損傷の発生が防止されるように複数のポンプ光Lp1〜Lpnを分散させて、1つのシグナル光Lを高品質なレーザ光として高出力で得ることができる。 As described above, in the laser amplifying apparatus 1 (and the laser amplifying method performed in the apparatus 1), a plurality of pumps are used for one signal light L s so as to satisfy the phase matching condition of optical parametric amplification. Lights L p1 to L pn are incident on the nonlinear crystal body 9. As a result, energy is converted from the plurality of pump lights L p1 to L pn to one signal light L s , and the signal light L s is amplified. At this time, even if the phases of the plurality of pump lights L p1 to L pn incident on the nonlinear crystal body 9 are not the same, the random phase difference between the signal light L s and each of the pump lights L p1 to L pn is an idler. Since the light L i1 to L in moves, one signal light L s is amplified without being affected by the phase information of the plurality of pump lights L p1 to L pn . That is, one signal light L s is amplified as coherent light by the plurality of pump lights L p1 to L pn . Therefore, according to the laser amplifying apparatus 1 (and the laser amplifying method performed in the apparatus 1), the plurality of pump lights L p1 to L pn are dispersed so that the occurrence of laser damage in the nonlinear crystal body 9 is prevented. Thus, one signal light L s can be obtained as high-quality laser light with high output.

また、レーザ増幅装置1においては、非線形結晶体9に入射させられる複数のポンプ光Lp1〜Lpnの強度が光強度検出部16によって検出され、光強度検出部16によって検出された複数のポンプ光Lp1〜Lpnの強度が互いに均一となるように、制御部15によってレーザ光源3〜3が制御される。これにより、非線形結晶体9の光入射面において互いに異なる位置にポンプ光Lp1〜Lpnが入射させられても、ポンプ光Lp1〜Lpnの入射位置に起因した利得のばらつきが抑制されることになるので、増幅後のシグナル光Lの強度分布を均一化することができる。 In the laser amplifying apparatus 1, the intensity of the plurality of pump lights L p1 to L pn incident on the nonlinear crystal body 9 is detected by the light intensity detector 16, and the plurality of pumps detected by the light intensity detector 16. The laser light sources 3 1 to 3 n are controlled by the control unit 15 so that the intensities of the lights L p1 to L pn are uniform. Thus, be caused to enter the pumping light L p1 ~L pn at different positions in the light incident surface of the nonlinear crystal 9, the variation of the gain due to the incident position of the pumping light L p1 ~L pn is suppressed Therefore, the intensity distribution of the amplified signal light L s can be made uniform.

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。   Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment.

例えば、上記実施形態では、電気回路によるディレイ回路によって、シグナル光L及びポンプ光Lp1〜Lpnが非線形結晶体9に同時に到達するように、レーザ光源2及びレーザ光源3〜3の出射タイミングが制御されたが、より高い精度が必要な場合には、レーザ増幅装置1を次のように構成してもよい。 For example, in the above-described embodiment, the laser light source 2 and the laser light sources 3 1 to 3 n are arranged so that the signal light L s and the pump light L p1 to L pn reach the nonlinear crystal body 9 simultaneously by the delay circuit by the electric circuit. Although the emission timing is controlled, when higher accuracy is required, the laser amplifying apparatus 1 may be configured as follows.

すなわち、図9に示されるように、共通のレーザ光源26が用いられて、当該レーザ光源26から出射されたレーザ光は、シグナル光L用の種光と各ポンプ光Lp1〜Lpn用の種光とに分岐させられる。シグナル光L用の種光は、そのままシグナル光Lとして用いられてもよいが、中空ファイバ27中の伝搬による非線形効果を利用してスペクトル帯域の広帯域化を行った後に用いてもよい。シグナル光Lの広帯域化を行うことで、より短いパルス幅を得ることができ、延いては、より高い強度の出力を得ることができる。ここでは、レーザ光源26及び中空ファイバ27によってシグナル光出力部が構成されている。 That is, as shown in FIG. 9, a common laser light source 26 is used, and the laser light emitted from the laser light source 26 is used for the seed light for the signal light L s and the pump lights L p1 to L pn . It is branched to the seed light. Seed light for the signal light L s is may be used as it is as the signal light L s, may be used after the broadening of spectral bands using the nonlinear effect due to the propagation of the hollow fiber 27. By widening the signal light L s , a shorter pulse width can be obtained, and as a result, a higher intensity output can be obtained. Here, a signal light output unit is configured by the laser light source 26 and the hollow fiber 27.

一方、各ポンプ光Lp1〜Lpn用の種光は、レーザ増幅器28によって増幅された後に、KDP(リン酸二水素カリウム)結晶やDKDP(部分重水素置換KDP)結晶等からなる波長変換用の非線形結晶体29によって所望の波長へ変換される。例えば、波長1054nmの第二高調波である波長527nmのポンプ光Lp1〜Lpnが得られる。ここでは、レーザ光源26、レーザ増幅器28及び非線形結晶体29によってポンプ光出力部が構成されている。 On the other hand, the seed light for each of the pump lights L p1 to L pn is amplified by the laser amplifier 28, and then is used for wavelength conversion consisting of a KDP (potassium dihydrogen phosphate) crystal, a DKDP (partial deuterium substituted KDP) crystal, or the like. Is converted to a desired wavelength by the nonlinear crystal 29. For example, pump lights L p1 to L pn with a wavelength of 527 nm, which are second harmonics with a wavelength of 1054 nm, are obtained. Here, a pump light output unit is configured by the laser light source 26, the laser amplifier 28, and the nonlinear crystal body 29.

中空ファイバ27から出射されたシグナル光L、及び各非線形結晶体29から出射されたポンプ光Lp1〜Lpnは、光パラメトリック増幅用の非線形結晶体9に伝搬される。なお、レーザ光源26と中空ファイバ27との間にはミラー11が配置されている。これにより、シグナル光L及びポンプ光Lp1〜Lpnが非線形結晶体9に同時に到達するように、シグナル光L側の光路長の調整が行われる。 The signal light L s emitted from the hollow fiber 27 and the pump lights L p1 to L pn emitted from the nonlinear crystals 29 are propagated to the nonlinear crystal 9 for optical parametric amplification. Note that the mirror 11 is disposed between the laser light source 26 and the hollow fiber 27. Thus, the optical path length on the signal light L s side is adjusted so that the signal light L s and the pump lights L p1 to L pn reach the nonlinear crystal body 9 at the same time.

また、図10に示されるように、非線形結晶体9は、複数の非線形結晶部10を有していてもよい。ここでは、光軸OAと直交する面に沿って、複数の非線形結晶部10がマトリックス状に配置されている。各非線形結晶部10は、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たす角度でカッティングされている。この場合、複数のポンプ光Lp1〜Lpnは、光軸OAに沿って、非線形結晶部10ごとに(或いは複数の非線形結晶部10のまとまりごとに)非線形結晶体9に入射させられる。このとき、1つのシグナル光Lは、光軸OAに沿って、複数のポンプ光Lp1〜Lpnが入射させられた複数の非線形結晶部10を含むように非線形結晶体9に入射させられる。 As shown in FIG. 10, the nonlinear crystal body 9 may have a plurality of nonlinear crystal portions 10. Here, a plurality of nonlinear crystal portions 10 are arranged in a matrix along a plane orthogonal to the optical axis OA. Each nonlinear crystal portion 10 is cut at an angle that satisfies the phase matching condition of optical parametric amplification. In this case, the plurality of pump lights L p1 to L pn are incident on the nonlinear crystal body 9 for each nonlinear crystal portion 10 (or for each group of the plurality of nonlinear crystal portions 10) along the optical axis OA. At this time, one signal light L s is incident on the nonlinear crystal body 9 along the optical axis OA so as to include a plurality of nonlinear crystal portions 10 on which the plurality of pump lights L p1 to L pn are incident. .

このような構成によれば、非線形結晶部10におけるレーザ損傷の発生が防止されるように各非線形結晶部10に入射するポンプ光Lp1〜Lpnの強度を抑制しても、非線形結晶部10の数を増加させることで、増幅後のシグナル光Lを高出力化することができる。そして、シグナル光Lのビームサイズが大きくなるほど小さいスポットに集光することができるので、より高い集光輝度を得ることができる。 According to such a configuration, even if the intensity of the pump lights L p1 to L pn incident on each nonlinear crystal unit 10 is suppressed so that the occurrence of laser damage in the nonlinear crystal unit 10 is prevented, the nonlinear crystal unit 10 By increasing the number of signals, it is possible to increase the output of the signal light L s after amplification. Then, it is possible to condense to a small spot as the beam size of the signal light L s increases, it is possible to obtain a higher light condensing intensity.

また、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように非線形結晶体9に入射させられれば、複数のポンプ光Lp1〜Lpnはそれぞれ所定の波長を有していてもよい。一例として、図11,12に示されるように、波長500nmのポンプ光Lp1、波長650nmのポンプ光Lp2及び波長532nmのポンプ光Lp3が、タイプ1型BBO結晶からなる非線形結晶体9に入射させられる場合、ポンプ光Lp1〜Lp3は、波長1054nmのシグナル光Lに対して位相整合条件を満たす必要がある。そのためには、各ポンプ光Lp1〜Lp3の位相整合角(非線形結晶体9の結晶軸CAとレーザ光(ポンプ光Lp1〜Lp3)の伝搬方向とのなす角)は、それぞれ23.6°,20.3°,22.8°となる。各ポンプ光Lp1〜Lp3は、ミラー11によって光路が調整されて、非線形結晶体9中で交差する。 Further, the plurality of pump lights L p1 to L pn may each have a predetermined wavelength as long as they are incident on the nonlinear crystal body 9 so as to satisfy the phase matching condition of the optical parametric amplification. As an example, as shown in FIGS. 11 and 12, the pump light L p1 having a wavelength of 500 nm, the pump light L p2 having a wavelength of 650 nm, and the pump light L p3 having a wavelength of 532 nm are applied to the nonlinear crystal body 9 made of type 1 type BBO crystal. When incident, the pump lights L p1 to L p3 must satisfy the phase matching condition with respect to the signal light L s having a wavelength of 1054 nm. For this purpose, the phase matching angle of the pump light L p1 ~L p3 (the angle between the propagation direction of the crystal axis CA and the laser beam of the nonlinear crystal 9 (pump light L p1 ~L p3)), respectively 23. 6 °, 20.3 °, and 22.8 °. The optical paths of the pump lights L p1 to L p3 are adjusted by the mirror 11 and intersect in the nonlinear crystal body 9.

このような構成によれば、各ポンプ光Lp1〜Lpnが、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように非線形結晶体9に入射させられるので、複数のポンプ光Lp1〜Lpnがそれぞれ所定の波長を有していても、1つのシグナル光Lをコヒーレント光として増幅させることができる。 According to such a configuration, each of the pump lights L p1 to L pn is made incident on the nonlinear crystal body 9 so as to satisfy the phase matching condition of the optical parametric amplification, so that the plurality of pump lights L p1 to L pn are respectively Even if it has a predetermined wavelength, one signal light L s can be amplified as coherent light.

また、上記実施形態では、光強度検出部16によって検出された複数のポンプ光Lp1〜Lpnの強度が互いに均一となるように、制御部15がレーザ光源3〜3を制御したが、これに限定されない。制御部15は、光強度検出部16によって検出された複数のポンプ光Lp1〜Lpnの強度が所定の関係となるように、レーザ光源3〜3を制御してもよい。このような構成によれば、増幅後のシグナル光Lの強度分布に所定の関係を持たせることができる。 In the above embodiment, the control unit 15 controls the laser light sources 3 1 to 3 n so that the intensities of the plurality of pump lights L p1 to L pn detected by the light intensity detection unit 16 are uniform. However, the present invention is not limited to this. The control unit 15 may control the laser light sources 3 1 to 3 n so that the intensities of the plurality of pump lights L p1 to L pn detected by the light intensity detection unit 16 have a predetermined relationship. According to such a configuration, it is possible to have a predetermined relationship to the intensity distribution of the signal light L s after amplification.

また、非線形結晶体9は、BBO結晶からなるものに限定されず、KDP結晶やDKDP等、その他の非線形結晶からなるものであってもよい。更に、非線形結晶体9の光入射面に入射させられるシグナル光L及びポンプ光Lp1〜Lpnの断面形状は、矩形状に限定されず、円形状等、その他の形状であってもよく、隣り合うポンプ光Lp1〜Lpn同士の一部が非線形結晶体9の光入射面上で重畳してもよい。 Further, the nonlinear crystal body 9 is not limited to the one made of BBO crystal, and may be made of other nonlinear crystals such as KDP crystal and DKDP. Furthermore, the cross-sectional shapes of the signal light L s and the pump lights L p1 to L pn incident on the light incident surface of the nonlinear crystal body 9 are not limited to a rectangular shape, and may be other shapes such as a circular shape. A part of the adjacent pump lights L p1 to L pn may be superimposed on the light incident surface of the nonlinear crystal body 9.

1…レーザ増幅装置、2…レーザ光源(シグナル光出力部)、3,3〜3…レーザ光源(ポンプ光出力部)、9…非線形結晶体、10…非線形結晶部、15…制御部、16…光強度検出部、26…レーザ光源(シグナル光出力部、ポンプ光出力部)、27…中空ファイバ(シグナル光出力部)、28…レーザ増幅器(ポンプ光出力部)、29…非線形結晶体(ポンプ光出力部)、L…シグナル光、Lp1〜Lpn…ポンプ光、Li1〜Lin…アイドラ光。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Laser amplifying device, 2 ... Laser light source (signal light output part), 3, 3 1-3 n ... Laser light source (pump light output part), 9 ... Nonlinear crystal body, 10 ... Nonlinear crystal part, 15 ... Control part , 16 ... light intensity detection part, 26 ... laser light source (signal light output part, pump light output part), 27 ... hollow fiber (signal light output part), 28 ... laser amplifier (pump light output part), 29 ... nonlinear crystal Body (pump light output part), L s ... signal light, L p1 to L pn ... pump light, L i1 to L in ... idler light.

Claims (8)

シグナル光をポンプ光で増幅するレーザ増幅装置であって、
前記シグナル光を出力するシグナル光出力部と、
前記ポンプ光を出力するポンプ光出力部と、
前記シグナル光出力部から出力された前記シグナル光、及び前記ポンプ光出力部から出力された前記ポンプ光が入力され、前記シグナル光を前記ポンプ光で増幅して出力する非線形結晶体と、を備え、
前記非線形結晶体には、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように、1つの前記シグナル光に対して複数の前記ポンプ光が入射させられ
複数の前記ポンプ光は、前記非線形結晶体の光入射面において互いに異なる複数の位置に入射させられ、
1つの前記シグナル光は、前記非線形結晶体の光入射面において複数の前記ポンプ光が入射させられる複数の前記位置を含むように前記非線形結晶体に入射させられる、ことを特徴とするレーザ増幅装置。
A laser amplification device that amplifies signal light with pump light,
A signal light output unit for outputting the signal light;
A pump light output unit for outputting the pump light;
A non-linear crystal body that receives the signal light output from the signal light output unit and the pump light output from the pump light output unit, and amplifies the signal light with the pump light and outputs the amplified signal light. ,
In the nonlinear crystal body, a plurality of pump lights are incident on one signal light so as to satisfy a phase matching condition of optical parametric amplification ,
The plurality of pump lights are incident on a plurality of different positions on the light incident surface of the nonlinear crystal body,
One of the signal light is laser amplifier, wherein the nonlinear crystal Ru allowed to enter the, and to include a plurality of said positions at which a plurality of the pump light is made incident in the light incident surface of the nonlinear crystal apparatus.
複数の前記ポンプ光は、互いに平行に前記非線形結晶体に入射させられる、ことを特徴とする請求項1記載のレーザ増幅装置。The laser amplifying apparatus according to claim 1, wherein the plurality of pump lights are incident on the nonlinear crystal body in parallel with each other. 前記非線形結晶体に入射させられる複数の前記ポンプ光の強度を検出する光強度検出部と、
前記光強度検出部によって検出された複数の前記ポンプ光の強度が所定の関係となるように、前記ポンプ光出力部を制御する制御部と、を更に備える、ことを特徴とする請求項1又は2記載のレーザ増幅装置。
A light intensity detector that detects the intensity of the plurality of pump lights incident on the nonlinear crystal;
As the intensity of a plurality of said pump light detected by said light intensity detecting unit becomes the predetermined relationship, further comprising a control unit for controlling the pump light output unit, according to claim 1 or, characterized in that 2. The laser amplification device according to 2 .
前記制御部は、前記光強度検出部によって検出された複数の前記ポンプ光の強度が互いに均一となるように、前記ポンプ光出力部を制御する、ことを特徴とする請求項記載のレーザ増幅装置。 4. The laser amplification according to claim 3 , wherein the control unit controls the pump light output unit so that the intensities of the plurality of pump lights detected by the light intensity detection unit are uniform with each other. apparatus. 前記非線形結晶体は、複数の非線形結晶部を有し、
1つの前記シグナル光は、複数の前記非線形結晶部を含むように前記非線形結晶体に入射させられ、複数の前記ポンプ光は、前記非線形結晶部ごとに前記非線形結晶体に入射させられる、ことを特徴とする請求項1〜のいずれか一項記載のレーザ増幅装置。
The nonlinear crystal has a plurality of nonlinear crystal parts,
One signal light is incident on the nonlinear crystal body so as to include a plurality of the nonlinear crystal parts, and a plurality of pump lights are incident on the nonlinear crystal body for each nonlinear crystal part. laser amplifier according to any one of claims 1-4, characterized.
複数の前記ポンプ光はそれぞれ所定の波長を有する、ことを特徴とする請求項記載のレーザ増幅装置。 Each of the plurality of said pump light has a predetermined wavelength, laser amplifier according to claim 1, wherein a. シグナル光をポンプ光で増幅するレーザ増幅方法であって、
光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように、1つの前記シグナル光に対して複数の前記ポンプ光を非線形結晶体に入射させ
複数の前記ポンプ光を、前記非線形結晶体の光入射面において互いに異なる複数の位置に入射させ、
1つの前記シグナル光を、前記非線形結晶体の光入射面において複数の前記ポンプ光を入射させる複数の前記位置を含むように前記非線形結晶体に入射させる、ことを特徴とするレーザ増幅方法。
A laser amplification method for amplifying signal light with pump light,
In order to satisfy the phase matching condition of optical parametric amplification, a plurality of the pump lights are incident on the nonlinear crystal body with respect to one signal light ,
A plurality of the pump lights are incident on a plurality of different positions on the light incident surface of the nonlinear crystal body,
One of the signal light, the Ru said to be incident on the nonlinear crystal to include a plurality of the position for entering a plurality of the pump light in the light incident surface of the nonlinear crystal, the laser amplification wherein the.
複数の前記ポンプ光を、互いに平行に前記非線形結晶体に入射させる、ことを特徴とする請求項7記載のレーザ増幅方法。The laser amplification method according to claim 7, wherein a plurality of the pump lights are incident on the nonlinear crystal body in parallel with each other.
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