JP2007067123A - レーザーパルス圧縮装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 チャープドパルス増幅方式によって極短パルスを発生させるレーザー装置において、高平均出力を得ようとした際にパルス圧縮装置内の回折格子の熱歪みが原因でレーザーパルスの波面が歪み、十分な圧縮効果が得られなくなる点を解決すること。
【解決手段】 チャープドパルス増幅方式によって極短パルスを発生させるレーザー装置に使用するパルス圧縮装置において、回折格子を冷却することにより解決される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、チャープドパルス増幅方式によって極短パルスを発生させるレーザー装置に使用するパルス圧縮装置に関するものである。

チャープドパルス増幅方式(ＣＰＡ：chirped pulse amplification)は、フェムト秒の極短パルスレーザー光を高強度に増幅する手段としてチタンサファイアレーザー装置等で広く用いられている。
ＣＰＡにおいては、入力の極短パルス光をパルス伸長装置により波長が時間的に連続して変化する長パルス光に伸長し、これを増幅器で増幅して大きなエネルギーのパルスとした後に、パルス圧縮装置によりパルス幅を時間的に圧縮して、ピーク強度の高い極短パルスレーザー出力を得る。

この従来技術については非特許文献１において詳しく説明されている。本発明は非特許文献１中においてFIG3(b)で示されたパルス圧縮装置で発生する問題を解決するものである。以下においては、まずこのパルス圧縮装置の動作原理を簡単に説明した後、従来技術において発生した問題点を指摘する。

パルス圧縮装置の原理は、図１に示すように回折格子を用いて波長によって光路長に差がつくような光学配置とし、この光路長の差をパルス伸長装置によって作られた長パルス光の波長の時間変化と一致させることにより、すべての波長が同時に出力側に到達するようにし、短パルスの出力を得るものである。

図１において、１と２は回折格子であり、Aから始まる破線はレーザービームの光路を示す。A点から入射したレーザービームは１の回折格子により波長によって異なった角度で反射され、２の回折格子に到達する。回折格子１と２は平行に配置されているため、２の回折格子によって反射されたビームは波長によらず平行な１本のビームとなって出て行く。反射する角度によって異なる光路長をとることになるため、この光路長の差を波長の時間変化と一致させれば、出て行くレーザービームは波長によらず同一時刻となり、極短パルスを発生することができる。これがパルス圧縮装置の原理である。
図１においては、パルス圧縮の原理を説明するために２枚の回折格子を用い、回折格子上の合計反射回数を２回とした最も簡単な構成を示しているが、実際には非特許文献１のFIG3(b)のように反射鏡と組み合わせて１枚又は２枚の回折格子を用い、合計反射回数を４回として、パルス圧縮装置の出力レーザービーム径が大きくならないような構成とすることも多い。

従来、ＣＰＡはパルスの繰り返し周波数がせいぜい数十Hz程度の低繰り返しレーザーにおいて、高いピークパワーを得る手段として用いられてきた。そのため、これまでのパルス圧縮装置における主要な課題は、高ピークパワーの高強度電界によって発生する回折格子の破壊現象であり、破壊しきい値を上回らないようレーザービーム径を拡げ、そのビーム径に対して十分な面積の回折格子を用いるよう設計すれば良いとされてきた。

しかしながらパルスの繰り返し周波数が低い装置では、加工や計測といった産業の現場で使用するには生産性が低いため、主たる用途は理化学研究に限られ、工業用として広く普及する妨げとなっていた。
本願出願人は、この問題を解決するため、特許文献１に記載のレーザー共振器を用いて繰り返し周波数を10kHzに大幅に向上させ、平均出力40Wが得られる増幅器を開発した。
平均出力の増加は繰り返し周波数の増加によるものであるため、１パルス当たりのエネルギーは増加しない。このため同じパルスエネルギーの低繰り返し周波数用に設計されたパルス圧縮装置を用いても破壊しきい値を越えることはなく、そのまま使用可能であると見込まれた。

しかしながらレーザーパルス圧縮装置の出力として得られたレーザーパルスの波面は大きく歪んでおり、短パルス光強度集光が行えない状態になっていることが判明した。そしてその原因は、レーザービームが回折格子によって反射される際、そのエネルギーの一部が反射損失として回折格子に吸収されて熱となり、回折格子の反射面が歪んでいるためであるということが明らかとなった。

この問題を解決する一つの方法としては、従来の電界による破壊現象への対処と同様に、レーザービーム径を拡げ、大面積の回折格子を用いることによって回折格子の回折反射面上でのパワー密度を下げるという方法が考えられる。しかし大面積の回折格子は高価であり、またそれを組み込んだ装置は大型のものとなるため、産業用の装置としては不向きになるという欠点があった。
特開２００５−１８３７４８号公報 "High power ultrafast lasers", S. Backus,C Durfee III, M. Muurnane, and H. Kapteyn, Review of Scientific Instruments誌, 69巻, 3号, 1207頁 (1998年)

本発明の解決しようとする問題点は、チャープドパルス増幅方式によって極短パルスを発生させるレーザー装置において、高平均出力を得ようとした際にパルス圧縮装置内の回折格子の熱歪みが原因でレーザーパルスの波面が歪み、十分な圧縮効果が得られなくなるという点である。

上記課題を解決するために、本発明は、回折格子の熱歪みを低減するため、回折格子を冷却することを最も主要な特徴とするものである。
すなわち、チャープドパルス増幅方式によって極短パルスを発生させるレーザー装置に使用するパルス圧縮装置において、回折格子を冷却するパルス圧縮装置を提供することである。

また本発明は、チャープドパルス増幅方式によって極短パルスを発生させるレーザー装置に使用するパルス圧縮装置において、層流の気体を回折格子前面に流すことにより回折格子を冷却するパルス圧縮装置を提供することである。

さらに本発明は、チャープドパルス増幅方式によって極短パルスを発生させるレーザー装置に使用するパルス圧縮装置において、回折格子の基板を金属あるいは結晶等の熱伝導の良い材質とするとともに、その背後に冷却装置を設置して回折格子を冷却するパルス圧縮装置を提供することである。

本発明のパルス圧縮装置は高価な大面積回折格子を用いることなく、波面歪みの少ない極短パルスレーザー光の高平均出力化が可能になるという利点があり、また装置サイズも小型化できるという利点がある。

回折格子は基板材料に直接溝加工を施して製造することも可能ではあるが、非常に高価なものとなる。現在ではガラス基板の上にごく薄く樹脂を塗布し、この樹脂に対して、あらかじめ制作しておいた格子溝形状の母型を押し付け、母型の構造を転写し、その上に反射率を得るための金属蒸着などのコーティングを施す製法が一般的である。この製法であれば一度精密な母型を制作しておけば、後はプレスによる大量生産が可能であり、工業用途に適している。

しかるにこの製法であるが故に、熱歪みが発生する。すなわち、表面の金属蒸着は、母型から写し取った構造を劣化させないよう極薄いものとするため、熱伝導による放熱は期待できない。ガラス基板は熱膨張率が小さく、熱歪みを起こしにくいが、熱伝導率も低いため、回折格子表面で吸収された熱は樹脂層に蓄積される。樹脂は熱膨張率が大きいため、強いレーザービームが当たった部分ほど膨張し、反射面が膨らむため、そこで反射されるレーザービームの波面が歪むのである。
本発明においては、レーザービームの熱による回折格子の歪みによる波面の劣化を低減するという目的を、プレスによる大量生産が可能であるという回折格子製造方法の利点を損なうことなく実現した。

図２は、本発明装置の１実施例の構成模式図であって、１は、図１と同様に回折格子である。３は水平方向のルーフミラーであり、４は垂直方向のルーフミラーである。図１とは異なり、２組のルーフミラーによってレーザービームを反射し、回折格子１上で合計４回反射するように構成することによって、１枚の回折格子でパルス圧縮を行うとともに、出力ビームの直径が大きくならないように工夫されている。これは図１の原理図よりも実際の配置としてよく使われている構成である。

図中の破線はレーザービームの光路を表し、Aから入ったビームは回折格子１で反射された後、ルーフミラー３に向かい、ルーフミラー３では水平方向にずれ、かつルーフミラー３に到達する前のビームと平行なビームとして再び回折格子１に到達する。回折格子１で反射されたビームはルーフミラー４によって今度は垂直方向にずれ、かつルーフミラー４に到達する前のビームと平行なビームとして再び回折格子１に向かう。図２は上から見た平面図として描かれているので、この両方のビームは同じ線として表されている。同様にしてルーフミラー３を経て回折格子１で反射され、A点に向かって出て行くが、A点ではビームの垂直位置がずれているため、入力ビームと出力ビームの分離が可能である。図１の場合と同様の原理により、波長による光路差が生じるため、出力ビームは極短パルスに圧縮されている。

５が本発明の主要な特徴となる層流となった気体の流れを発生させる送風機であり、発生した層流が矢印Bで示したように回折格子１の表面を冷却する。発生した気体の流れが回折格子表面に塗布された樹脂層を冷却するため、レーザービームによる樹脂層の温度上昇を低減することができ、樹脂層の熱膨張による反射レーザービームの波面歪みを押さえる効果がある。
レーザービームは気体の流れによる光学的な屈折率の変化によっても波面歪みを生ずる。通常の送風機では乱流が発生するため波面歪みが生じやすい。本実施例では気体の流れを層流とすることにより、乱流において発生する波面歪みを避けることを特徴としている。
また層流とする気体は回折格子の周辺雰囲気と同一種類、かつ同一温度であることが気体の流れに伴って発生する波面歪みを低減するために重要である。

図３は、本発明装置の他の実施例の構成模式図である。６は回折格子であるが、図２とは異なり、基板として熱伝導の良い金属あるいは結晶を用いたものである。
基板表面が金属の場合などで十分な表面精度が得られない場合には、熱伝導の問題が発生しないように薄膜化した結晶を作成して、金属基板上に接着し、光学研磨を行なって必要な精度を得ても良い。このようにして基板の熱伝導を向上させた回折格子の背面に、７で示す冷却装置により冷却を行って、熱歪みの発生を低減する。６と７以外の構成は図２と同様であり、図１及び図２で説明した原理に基づいてパルス圧縮を行う。
７の冷却装置はペルチェ効果による電子冷却を用いても良いし、ヒートパイプや直接水冷等の手段を用いても良い。

極短パルス増幅器においては、空気の流れによって発生する波面歪みや気体によるレーザー光の吸収が問題となる場合がしばしば発生し、そのような問題を避けなければならない場合には、パルス圧縮装置を真空中に設置しなければならない。このような場合には図２の実施例には適用できないが、図３の実施例においては冷却を背面から行っているため、真空中に設置することも可能になるという利点がある。

ＣＰＡ方式のレーザー装置において、高い平均出力を得ながら、出力ビームの波面歪みを低減する効果があり、しかも装置の小型化が可能になるため、加工や計測など幅広い分野におけるフェムト秒レーザーの利用が見込まれる。

レーザーパルス圧縮装置の原理説明図である。 レーザーパルス圧縮装置の１実施例を示す模式図である。 レーザーパルス圧縮装置の他の実施例を示す模式図である。

符号の説明

１ 回折格子
２ 回折格子
３ 水平ルーフミラー
４ 垂直ルーフミラー
５ 層流送風機
６ 回折格子
７ 冷却装置

Claims (4)

1. チャープドパルス増幅方式によって極短パルスを発生させるレーザー装置に使用するパルス圧縮装置において、回折格子を冷却することを特徴とするパルス圧縮装置。
2. チャープドパルス増幅方式によって極短パルスを発生させるレーザー装置に使用するパルス圧縮装置において、層流の気体を回折格子前面に流すことにより回折格子を冷却することを特徴とするパルス圧縮装置。
3. チャープドパルス増幅方式によって極短パルスを発生させるレーザー装置に使用するパルス圧縮装置において、回折格子の基板を熱伝導の良い材質とするとともに、その背後に冷却装置を設置して回折格子を冷却することを特徴とするパルス圧縮装置。
4. 回折格子の基板を金属あるいは結晶としたことを特徴とする請求項３記載のパルス圧縮装置。
   

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