CN104956554B - 采用啁啾脉冲放大法的激光装置 - Google Patents

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Abstract

在利用啁啾脉冲放大法的激光装置中的、压缩激光脉冲的脉冲压缩器(20)包括：以光栅面相对的方式平行配置的同一形状的两块衍射光栅(201、202)；以及使经由了该衍射光栅(201、202)的激光脉冲反射并再次入射至该衍射光栅的全反射镜(203)。各衍射光栅(201、202)是具有表面被Au反射膜所覆盖的截面呈锯齿状的槽的反射型闪耀衍射光栅，具有闪耀角，所述闪耀角被确定为，对于所使用的激光脉冲的波长，入射于脉冲压缩器(20)的激光脉冲的入射角和1级衍射光相对于槽斜面呈镜面反射的关系，且得到规定的衍射效率。由于激光脉冲相对于槽斜面大致垂直地入射，因此，能够得到高的损伤阈值，并得到高输出的激光脉冲。

Description

采用啁啾脉冲放大法的激光装置
技术领域
本发明涉及一种采用啁啾脉冲放大法的激光装置。
背景技术
作为高输出(高能量)且脉冲宽度为f秒～p秒数量级、使所谓的飞秒激光产生的激光装置，已知有使用啁啾脉冲放大(CPA：Chirped Pulse Amplification)法的激光装置(参照专利文献1等)。采用利用CPA法的激光装置的话，通过利用脉冲扩张器扩大在激光振荡器生成的激光的时间宽度(脉冲宽度)来抑制峰值强度后，利用激光放大器放大其输出至不损伤激光介质的程度。其后，利用脉冲压缩器，与脉冲扩张器相反地，在时间上压缩激光脉冲，仅提高该压缩部分的峰值强度并加以输出。
激光振荡器所生成的激光脉冲虽微小，但具有一定程度的波长宽度。脉冲扩张及脉冲压缩利用该波长宽度，进行激光的脉冲宽度的扩张及压缩，例如通过使波长在空间上被分散了的波长不同的光穿过不同光路长度来实现脉冲扩张。又，脉冲压缩由与其相反的原理来实现。这种脉冲扩张器、脉冲压缩器通常利用使相同结构的衍射光栅成对的衍射光栅对。
专利文献2中公开了利用了衍射光栅对的典型的脉冲压缩器(双通结构)。即，该脉冲压缩器包括：将光栅面相对而彼此平行地配置的两块衍射光栅(即衍射光栅对)；以及使穿过该衍射光栅对的激光脉冲全反射并再次入射至上述衍射光栅对的镜子。通过由激光放大器放大的激光脉冲被导入该脉冲压缩器，穿过衍射光栅、被镜子反射后再次经由衍射光栅返回(即进行一个往返)的过程，激光脉冲的波长宽度变窄，由此峰值强度得以提高。这样构成的脉冲压缩器具有能够使两块衍射光栅的间隔变窄，有利于装置的小型化的特征。
如上所述，在使用CPA法的激光装置中，由激光放大器放大的能量较大的激光脉冲击中构成脉冲压缩器的衍射光栅。因此，衍射光栅的光栅面(即反射面)的损伤成为问题。即，在利用CPA法的激光装置中，实现高输出时，被用于脉冲压缩器的衍射光栅的损伤阈值(即能量耐受性)成为较大的限制。为了改善用于脉冲压缩器的衍射光栅的损伤阈值，以往提出有使衍射光栅表面的反射膜的膜厚变厚，使用能量耐受性高的多层电介质膜作为反射膜(参照专利文献3、非专利文献1)这样的方法。这样的方法确实在改善损伤阈值上是有效的。然而，存在衍射光栅的成本上升、激光装置的价格变高的问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利申请公开第2011/0026105号
专利文献2：日本特开平9-211504号公报
专利文献3：美国专利申请公开第2012/0093191号
非专利文献
非专利文献1：:Bruno Touzet、「超高エネルギー·パルスレーザの出力を倍増させる多層膜誘電体グレーティングHORIBA Technical Reports」、株式会社堀場製作所、[online]、[平成25年1月18日検索]、インターネット＜URL:http://www.horiba.com/uploads/media/R027-04-018_01.pdf＞
发明内容
本发明要解决的问题
本发明是为了解决上述课题而做出的，其目的在于提供一种利用能够以低廉的成本确保高损伤阈值的激光脉冲压缩用衍射光栅的激光装置。
用于解决问题的手段
又，为了解决上述课题而做出的本发明所涉及的第二形态的激光装置是一种利用啁啾脉冲放大法的激光装置，其具备脉冲压缩器，所述脉冲压缩器包括以光栅面相对的方式平行配置的同一形状的第一衍射光栅、第二衍射光栅这两块衍射光栅，并获得经由了所述两块衍射光栅的激光脉冲，所述第一衍射光栅及所述第二衍射光栅为具有至少表面被金属反射膜覆盖的截面呈锯齿状的槽的反射型闪耀衍射光栅，所述第一衍射光栅及所述第二衍射光栅具有闪耀角，所述闪耀角被确定为，对于所使用的激光脉冲的波长，入射的激光脉冲的入射角和1级衍射光相对于槽斜面呈镜面反射的关系，且得到规定的衍射效率，在所述脉冲压缩器中，这两块衍射光栅被配置为，从所述第一衍射光栅入射至所述第二衍射光栅的激光脉冲相对于所述第二衍射光栅的槽斜面大致垂直地入射。
即，该第二形态的激光装置的脉冲压缩器的光学系统为单通结构。
光栅面为截面锯齿状的反射型闪耀衍射光栅中，激光脉冲产生的电磁波容易集中于尖形状的光栅凸部，该部分的反射膜容易产生损伤。对此，采用用于本发明所涉及的激光装置的衍射光栅的话，由于在对于所使用的激光脉冲的波长，入射的激光脉冲的入射角和1级衍射光相对于槽斜面呈镜面反射的关系这样的条件下，确定闪耀角以得到规定的衍射效率，因此例如将该衍射光栅作为一对用于脉冲压缩器的情况下，能够以充分的衍射效率使激光脉冲相对于槽斜面大致垂直地入射。
激光脉冲相对于闪耀衍射光栅的槽斜面大致垂直地入射的情况下，向尖形状的光栅凸部的电磁波集中被缓和，因此与例如激光脉冲入射于光栅面的法线方向的情况相比，难以发生反射膜的损伤。即，衍射光栅的损伤阈值提高，因此，采用将该衍射光栅用于脉冲压缩器的激光装置的话，能够提高激光输出。又，由于衍射光栅的衍射效率也充分的高，因此能够抑制脉冲压缩器中的激光脉冲的能量损失，在该点上对于提高激光输出来说也是有利的。又，采用用于本发明所涉及的激光装置的衍射光栅的话，无需为了提高损伤阈值而使反射膜的膜厚加厚至需要以上，也不使用制造工序烦杂的电介质多层膜。由此，能够控制制造成本。
发明效果
根据用于本发明所涉及的激光装置的激光脉冲压缩用衍射光栅，无需使用电介质多层膜那样的特殊的结构，即能确保高损伤阈值，且对于所要求的波长达成高衍射效率。因此，通过使用该衍射光栅作为利用CPA法的激光装置的脉冲压缩器，能够控制成本且实现高输出。
又，根据本发明所涉及的第二形态的激光装置，由于在脉冲压缩器中，使用上述激光脉冲压缩用衍射光栅作为光栅面(反射面)所受到的光能量最强的衍射光栅，激光脉冲对于该衍射光栅的光栅面大致垂直地入射，因此光栅面的耐受性提高，难以产生损伤。因此，例如通过提高激光放大器中的放大度、或者抑制衍射光栅造成的空间上的光束的扩大，能够提高最终从脉冲压缩器获得的激光脉冲的强度。
附图说明
图1是本发明所涉及的激光装置的一实施例的整体结构图。
图2是用于本发明所涉及的激光装置的激光脉冲压缩用衍射光栅的一实施例的概略截面图。
图3是示出本实施例的衍射光栅的损伤阈值的实测结果的图。
图4是示出本实施例的衍射光栅中改变Au膜厚时的损伤阈值的实测结果的图。
图5是示出本实施例的衍射光栅的反射率的波长依赖性的图。
图6是本发明所涉及的另一实施例的激光装置中的脉冲压缩器的概略结构图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的一实施例的激光装置及用于其中的衍射光栅进行说明。图1是本实施例的激光装置的整体结构图。
本实施例的激光装置中，从激光振荡器10输出的规定波长附近的极短时间宽度的激光脉冲穿过半透半反镜11，被导入脉冲扩张器12，在脉冲扩张器12中扩大脉冲宽度后返回。该激光脉冲为啁啾脉冲，仅脉冲宽度被扩张的部分的峰值强度(输出)变低。啁啾脉冲被半透半反镜11、及镜子13、14、15反射，并被导入激光放大器16，在激光放大器16中被放大，由此保持脉冲宽度被大致维持的状态使峰值强度变高。这样被放大的啁啾脉冲经由镜子17、半透半反镜18、镜子19，被导入脉冲压缩器20。在脉冲压缩器20中，与脉冲扩张器12相反，脉冲宽度被压缩，仅该部分峰值强度变高地，返回镜子19。然后，具有高峰值强度的脉冲宽度窄的激光脉冲穿过半透半反镜18并向外部输出。
如图1所示，脉冲扩张器12包括：呈大致八字状相对装配的一对衍射光栅122、125；被配置于这一对衍射光栅122、125之间的无焦透镜123、124；以及对被衍射光栅125反射的光进行反射的镜子126。由激光振荡器10输出的激光具有微小的波长宽度，衍射光栅122、125使该波长宽度在空间上分散。空间上被分散的不同波长的光从第二级衍射光栅125朝向镜子126、被镜子126反射后返回时的光路的长度根据波长的不同而不同。具体来说，短波长侧的光由于通过较长的光路，因此被向激光脉冲的后缘侧拉伸，相反地，长波长侧的光由于通过较短光路，因此被向激光脉冲的前缘侧拉伸。由此，返回脉冲扩张器12的光入射端时的激光脉冲的脉冲宽度比入射时变宽。
另一方面，脉冲压缩器20包括：使光栅面彼此相对并平行配置的一对衍射光栅201、202；以及对被第二级衍射光栅122反射(衍射)的光进行全反射的镜子203。由第一级衍射光栅201造成的角度分散被第二级衍射光栅202抵消，因此具有不同波长成分地入射至第一级衍射光栅201的平行光束在从第二级衍射光栅202出射并朝向镜子203时也变为平行。然而，这些具有不同波长成分的光的光路长度不同，与脉冲扩张器12相反，短波长侧的光通过较短光路，长波长侧的光通过较长的光路。由此，沿前后被拉伸的脉冲这次在时间上被压缩。另外，被从镜子19导入脉冲压缩器20的激光脉冲被镜子203反射后经由与来路完全相同的路径，沿与入射时相反方向返回。即，脉冲压缩器20中，激光脉冲不取决于波长地进行一个往返。
如上所述，脉冲扩张器12、脉冲压缩器20都使用衍射光栅，但放大了输出的啁啾脉冲被导入脉冲压缩器20，且脉冲压缩的过程中激光强度进一步变高，因此尤其高输出的激光会击中脉冲压缩器20所使用的衍射光栅201、202，容易发生反射膜的损伤。因此，脉冲压缩器20所使用的两块衍射光栅201、202尤其要求高的损伤阈值。又，为了得到高输出，要求衍射光栅201、202的能量损失尽可能少，由此也需要获得高衍射效率。因此，在此，通过采用以下所述的特征性配置及结构，实现高损伤阈值及高衍射效率。
图2是用于上述激光装置的激光脉冲压缩用衍射光栅的一实施例的概略截面图。该衍射光栅1是具有截面呈锯齿状的槽的反射型闪耀衍射光栅，另外，该衍射光栅1是复制衍射光栅，而不是母衍射光栅。即，在图2中，在平板状的复制基板2上具有形成有截面锯齿状的光栅槽的树脂层3，该光栅槽的表面被作为金属反射膜的Au层4所覆盖。复制衍射光栅的制造步骤例如为日本专利第4973367号公报等所记载的现有的方法。具体来说，在此，在形成有规定形状的光栅的母衍射光栅上形成Au膜(膜厚：250nm，使用Cr作为粘合剂层)后，涂敷树脂材料，并与复制基板(Zerodur(登记商标)，独自SCHOTT公司制)进行贴合。然后，树脂材料固化后，利用Au的剥离性使母衍射光栅脱模，由此得到如图2所示的复制衍射光栅。
母衍射光栅的槽的倾斜角(闪耀角)、进而复制衍射光栅的闪耀角被设计为：在在此使用的激光波长1064[nm]附近，入射光和1级衍射光相对于光栅面的槽斜面呈镜面反射的关系、即利特罗配置的条件下，衍射效率为最佳。又，在此，槽个数为900个/mm。图5示出关于各种槽个数的衍射光栅，设计上的衍射效率的计算结果。另外，该衍射效率为S偏振光的相对衍射效率。如在图5所看到的那样，在目标波长范围附近，衍射效率大致为90％以上，可以说是充分的效率。
图2所示的衍射光栅1的相对于激光脉冲的损伤阈值取决于激光脉冲入射的入射角。为了验证该事实，通过实验对波长1064[nm]的Nd：YAG激光以脉冲方式垂直入射于衍射光栅的情况(以图2中的法线方向入射的情况)以及以与槽斜面大致正交的方向入射(以下，将其称为“利特罗配置入射”)的情况下的损伤阈值进行评估。通过对衍射光栅的1个部位进行1次(1脉冲)的激光照射，边改变该照射位置和照射能量边重复直到损伤产生为止的1-on-1法，进行损伤阈值的评价。激光的脉冲宽度是10[ns]，光栅面的激光照射光束直径是1.1[mm]。然而，在该评价实验中，若衍射光栅的返回光照原样返回激光光源的话，恐怕会损坏该光源，因此并不是严格的利特罗配置入射，而是将入射角自严格意义上的利特罗配置入射稍微错开。
在图3中示出该实验结果。相对于垂直入射时的损伤阈值为0.59[J/cm2]，采用利特罗配置入射的话，可确认损伤阈值为1.38[J/cm2]，提高2倍以上。已知通常电磁波集中于尖形状的部分，在激光入射于闪耀衍射光栅的情况下，可认为该激光的电磁波集中于锯齿状的尖的凸部顶端。其结果，可推定在该凸部顶端产生强电场，由于由此产生的热量等，发生反射膜的损伤。由于认为与入射的激光正交的面内的反射膜的截面积越小，电场集中的程度越高，因此电场集中的程度最低的是相对于槽斜面大致垂直的激光入射的状态。由此认为利特罗配置入射在提高损伤阈值方面最佳。
进一步，应确认使Au膜厚变厚的效果，对使Au膜厚变化时的损伤阈值也采用同样的方法进行调查。图4是示出该实验结果的图。另外，图4中，还示出对于不是对于衍射光栅、而是将Au膜作为反射面的全反射镜采用同样的方法调查损伤阈值的结果。采用全反射镜的话，理想的情况，可以获知，由于不发生上述那样的电场集中，因此全反射镜的损伤阈值示出作为衍射光栅可实现的损伤阈值的上限值(换句话说为理想值)。由图4可知，通过使Au膜厚变厚，能够可靠地提高利特罗配置入射下的损伤阈值，但膜厚为250[nm]就能够达到与膜厚为400[nm]左右的垂直入射时几乎同样的损伤阈值。又，还可知采用利特罗配置入射时，能够达成极接近于全反射镜的损伤阈值，在损伤阈值方面极为优异。
如上所述，本实施例的衍射光栅被设计为：在所使用的激光波长1064[nm]附近，入射光和1级衍射光相对于光栅面的槽斜面呈镜面反射的关系这样的条件下，衍射效率为最佳，又，如上所述将激光入射于该衍射光栅时，其损伤阈值变得极高。在如图1所示那样的双通结构的脉冲压缩器20中，被镜子203反射的激光脉冲返回第一级衍射光栅201时，该激光脉冲在时间上被压缩并且其照射直径也被集中，因此施加了最大负载。因此，以使被镜子203反射、并被第二级衍射光栅202衍射的光以与如图2所示的衍射光栅1的槽斜面大致正交的方向入射的方式，将该衍射光栅配置为第一级衍射光栅201。另一方面，第二级衍射光栅202被配置为，相对于来自上述镜子19的入射光的前进方向正好相反的方向的、来自镜子203的反射光以与槽斜面大致正交的方向入射。由此，在该激光装置中，即使以某种程度大输出的激光脉冲入射至脉冲压缩器20，该脉冲压缩器20的衍射光栅201、202也不会受到损伤，能够获得大输出的激光脉冲。
在图1所示的激光装置中，脉冲压缩器为双通结构，但本上述衍射光栅也能够用于单通结构的脉冲压缩器。图6是单通结构的脉冲压缩器的概略结构图。该脉冲压缩器20B与图1中的脉冲压缩器20同样，包含使光栅面彼此相对地平行配置的一对衍射光栅201B、202B，但不具有反射镜。由第一级衍射光栅201B造成的角度分散被第二级衍射光栅202B抵消，因此具有不同波长成分地入射至第一级衍射光栅201B的平行光束在从第二级衍射光栅202B出射时也变为平行。其中，这些具有不同波长成分的光的光路长度被调整，在从第二级衍射光栅202B出射的时刻，沿前后被拉伸的脉冲在时间上被压缩。
采用该结构的话，由于激光脉冲不进行往返，因此第二级衍射光栅202B相比于第一级衍射光栅201B施加了较大负载。因此，以使被第一级衍射光栅201B衍射的光以与如图2所示的衍射光栅1的槽斜面大致正交的方向入射的方式，将该衍射光栅配置为第二级衍射光栅202B。由此，即使以某种程度大输出的激光脉冲入射至脉冲压缩器20B，该脉冲压缩器20B的衍射光栅201B、202B也不会受到损伤，能够获得大输出的激光脉冲。
另外，上述任一实施例都是本发明的一个实例，即使在本发明的主旨范围内进行适当变形、追加、修正，也显而易见地被包含在本申请的权利要求书中。具体来说，上述实施例所示的衍射光栅是所使用的激光波长为1064[nm]的情况下的一个实例，当激光波长不同时，不必多说，要与此相应地对光栅个数、闪耀角等进行适当设计。这样的设计方法本身是已知的。
符号说明
1：衍射光栅
10：激光振荡器
11、18：半透半反镜
12：脉冲扩张器
122、125：衍射光栅
123：无焦透镜
126：镜子
13、14、15、17、19：镜子
16：激光放大器
20、20B：脉冲压缩器
201、202、201B、202B：衍射光栅
203：镜子
2：复制基板
3：树脂层
4：Au层。

Claims (1)

1.一种采用啁啾脉冲放大法的激光装置，其特征在于，
具备脉冲压缩器，所述脉冲压缩器包括以光栅面相对的方式平行配置的同一形状的第一衍射光栅、第二衍射光栅这两块衍射光栅，并获得经由了所述两块衍射光栅的激光脉冲，
所述第一衍射光栅及所述第二衍射光栅为具有至少表面被金属反射膜覆盖的截面呈锯齿状的槽的反射型闪耀衍射光栅，所述第一衍射光栅及所述第二衍射光栅具有闪耀角，所述闪耀角被确定为，对于所使用的激光脉冲的波长，入射的激光脉冲的入射角和1级衍射光相对于槽斜面呈镜面反射的关系，且得到规定的衍射效率，
在所述脉冲压缩器中，这两块衍射光栅被配置为，从所述第一衍射光栅入射至所述第二衍射光栅的激光脉冲相对于所述第二衍射光栅的槽斜面大致垂直地入射。
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