JP2007109962A - レーザパルス圧縮装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構成要素の干渉及び蹴られを抑えて且つ透過率を高くできるようにしたレーザパルス圧縮装置及び方法を提供すること。
【解決手段】回折格子対１、３と、回折格子対１、３の一方の回折格子１に回折格子１の法線を含み回折格子１の格子と直交する入射面と所定の角度をなす入射面もつレーザパルスを入射させる入射手段２と、回折格子対１、３内を通過してくる前記レーザパルスを反射して回折格子対１、３内に再び入射せしめるように配置される反射鏡４と、を備えることを特徴とするレーザパルス圧縮装置。
【選択図】図１

Description

この発明は、レーザパルス圧縮装置に関し、詳しくは、バルク回折素子を用いたパルス圧縮装置に関する。

これまで、高パワー（高エネルギ）でパルス幅がｆｓ〜ｐｓオーダの短光パルスを発生させる方法として、ＣＰＡ（チャープパルス増幅）技術が知られている。このＣＰＡ技術は、チャープ光パルスの波長λ（周波数ν＝ｃ／λ、ｃは光速）が時間と共に変化したパルス幅の広い光パルスを、増幅したのち、圧縮器で圧縮して高パワー短光パルスを発生させるものである。高パワー短光パルスを発生させるためには、光損傷や非線形性があるためファイバ圧縮器などを使用することができず、バルク回折素子圧縮器を用いる必要がある。圧縮器に回折格子対を用いた場合、位相分散は、回折格子の格子ピッチ、回折格子対の距離、回折格子対への入射角等を変えることで補償することができる。

これまで、平行配置或いは反平行配置の回折格子対にレーザパルスを入射させて分散を補償してパルスの時間幅を圧縮（短縮）することが行われている。

図１１は、平行配置回折格子対を用いた従来の圧縮装置で、回折格子５０、５１と、回折格子５０、５１内を通過したレーザパルスを反射して再び回折格子５０、５１内へ入射させる反射鏡５２と、からなる（例えば、特許文献１参照。）。回折格子５０、５１は、刻まれている格子の延びる方向が紙面と直交する方向であり、レーザパルスＬ₀の入・反射面が紙面になるように配設されているので、レーザパルスが、実線の矢印から点線の矢印のように紙面内を往復する。この圧縮装置は、反射鏡５２を用いることで、回折格子５０と５１の間隔を短くして圧縮装置の小型化を図ったものである。

図１２に示す圧縮装置も一般的に知られている。これは、図１１の回折格子５１の代わりにコーナーミラー６１を用いたものである。この圧縮装置も、回折格子６０は、刻まれている格子が紙面と直交する方向で、レーザパルスＬ₀の入・反射面が紙面になるように配設されているので、レーザパルスが、実線の矢印から点線の矢印のように紙面内を往復する。コーナーミラー６１を用いることにより、回折格子を１枚削減でき小型化と同時に低コスト化を図ることができる。
特開平９−２１１５０４号公報

しかし、図１１に示す従来の圧縮装置は、小型化するために回折格子対５０、５１の間隔や、回折格子５０と反射鏡５２の間隔を狭めると、レーザパルスが、紙面内を往復するため、回折格子５０と反射鏡５２が干渉したり、回折格子５０でレーザパルスＬ₂が蹴られるといった問題を有していた。さらに、回折格子で計４回反射回折されるので、圧縮装置の透過率（圧縮装置からの出射光パワー／圧縮装置への入射光パワー）が低いという問題を有していた。

また、図１２に示す圧縮装置でも、小型化するために回折格子６０、コーナーミラー６１の間隔や、回折格子６０と反射鏡６２の間隔を狭めると、レーザパルスが、紙面内を往復するため、コーナーミラー６１と反射鏡６２が干渉したり、反射鏡６２でレーザパルスＬ₁が蹴られるといった問題を有していた。さらに、この圧縮器も回折格子６０で計４回反射回折されるので、圧縮装置の透過率が低いという問題を有していた。

ところで、図１１、１２で、入射点での法線Ｎ₀を含み格子と直交する面内（紙面内）のレーザパルスＬ₀の入射角をθ₀、−１次回折角をθとすると、回折格子の−１次回折光の回折効率ηと入射角θ₀の間に図１０のような関係がある。これは、通常使用される市販の回折格子（Ｓｐｅｃｔｒｏｇｏｎ社製、格子ピッチ１２００本／ｍｍのホログラフィックグレーティング）の特性で、θ₀が小さくなると共に回折効率ηが大きくなることがわかる。図１０から、例えば、θ₀＝８２°のときη＝０．８３、θ₀＝７２°のときη＝０．９５であることがわかる。反射鏡５２、６２、コーナーミラー６１の反射率を０．９９とすると、θ₀＝８２°のときの圧縮装置の透過率は、図１１の圧縮装置で０．４７（＝０．８３×０．８３×０．９９×０．８３×０．８３）、図１２の圧縮装置で、０．４５（＝０．８３×０．９９×０．９９×０．８３×０．９９×０．８３×０．９９×０．９９×０．８３）である。一方、θ₀＝７２°のときの圧縮装置の透過率は、図１１の圧縮装置で０．８１（＝０．９５×０．９５×０．９９×０．９５×０．９５）、図１２の圧縮装置で０．７７（＝０．９５×０．９９×０．９９×０．９５×０．９９×０．９５×０．９９×０．９９×０．９５）である。

図１１において圧縮装置の透過率を高くするために入射角θ₀を小さくする（回折格子５０、５１を紙面と直交する軸の回りに矢印５０−１、５１−１方向に回転させる）と、レーザパルスＬ₂が矢印Ａ₁₀の方向に移動し、ますます回折格子５０と反射鏡５２が干渉し、回折格子５０での蹴られが大きくなる。圧縮装置の透過率を犠牲にして、入射角θ₀を大きくする（回折格子５０、５１を紙面と直交する軸の回りに矢印５０−２、５１−２方向に回転させる）と、レーザパルスＬ２が矢印Ａ₂₀の方向に移動し、回折格子５０と反射鏡５２の干渉がなくなり、回折格子５０での蹴られもなくなる。すなわち、圧縮装置の透過率と、構成要素の干渉及び蹴られはトレードオフの関係にあり、両者を同時に解決することができない。

同様に、図１２において圧縮装置の透過率を高くするために入射角θ₀を小さくする（回折格子６０を紙面と直交する軸の回りに矢印６０−１方向に回転させる）と、レーザパルスＬ₁が矢印Ａ₃₀の方向に移動し、レーザパルスＬ₃が矢印Ｂ₁₀の方向に移動するので、コーナーミラー６１と反射鏡６２が干渉し、反射鏡６２によるレーザパルスＬ₁の蹴られが図１１の圧縮装置より深刻になる。圧縮装置の透過率を犠牲にして、入射角θ₀を大きくする（回折格子６０を紙面と直交する軸の回りに矢印６０−２方向に回転させる）と、レーザパルスＬ₁が矢印Ａ₄₀の方向に移動し、レーザパルスＬ₃が矢印Ｂ₂₀の方向に移動するので、コーナーミラー６１と反射鏡６２が干渉しなくなり、反射鏡６２によるレーザパルスＬ₁の蹴られもなくなる。すなわち、圧縮装置の透過率と、構成要素の干渉及び蹴られはトレードオフの関係にあり、両者を同時に解決することができない。

本発明は、上記の従来の圧縮装置の問題に鑑みてなされたものであり、構成要素の干渉や蹴られを抑えて小型化を図るようにしたレーザパルス圧縮装置及び方法を提供することを課題としている。さらに、本発明は、構成要素の干渉及び蹴られを抑えて且つ透過率を高くできるようにしたレーザパルス圧縮装置及び方法を提供することを課題としている。

課題を解決するためになされた請求項１に係る発明は、回折格子対と、前記回折格子対の一方の回折格子に該回折格子の法線を含み格子と直交する入射面と所定の角度をなす入射面もつレーザパルスを入射させる入射手段と、前記回折格子対内を通過してくる前記レーザパルスを反射して該回折格子対内に再び入射するように配置された反射鏡と、を備えることを特徴とするレーザパルス圧縮装置である。

課題を解決するためになされた請求項２に係る発明は、回折格子と、前記回折格子に該回折格子の法線を含み格子と直交する入射面と所定の角度をなす入射面もつレーザパルスを入射させる入射手段と、前記回折格子及び前記再帰反射手段を通過してくる前記レーザパルスを反射して該回折格子及び該再帰反射手段に再び戻すように配置された反射鏡と、を備えることを特徴とするレーザパルス圧縮装置である。

また、請求項３に係る発明は、請求項２に記載のレーザパルス圧縮装置であって、前記回折格子と前記再帰反射手段との間で往復する前記レーザパルスのうち前記反射鏡に最も近い前記レーザパルスの往路と復路の光軸を結ぶ方向の前記反射鏡の幅は、前記往路と前記復路の光軸を結ぶ最短距離から前記光軸を結ぶ方向の前記レーザパルスのビーム幅を引いた値より小さいことを特徴としている。

また、請求項４に係る発明は、請求項1〜３のいずれかに記載のレーザパルス圧縮装置であって、さらに、前記回折格子に入射される前記レーザパルスの該回折格子の法線を含み該回折格子の格子と直交する面内での入射角を変更する入射角変更手段を備えることを特徴としている。

また、請求項５に係る発明は、請求項1〜４のいずれかに記載のレーザパルス圧縮装置であって、前記反射鏡は、前記入射されるレーザパルスの断面形状と略等しい大きさであることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、入射手段で回折格子の法線を含み該回折格子の格子と直交する入射面と所定の角度をなす入射面もつレーザパルスを回折格子に入射させるので、回折格子対内を通過してくるレーザパルスは、回折格子の法線を含み回折格子に刻まれている格子と直交する面内から離れ、構成要素間の干渉及び構成要素でのレーザパルスの蹴られがなくなる。また、そのことにより、回折格子に入射されるレーザパルスの回折格子の法線を含み格子と直交する面内での入射角を変更することができるようになり、回折格子の回折効率を高くして圧縮装置の透過率を高くすることができる。

請求項２の発明によれば、入射手段で回折格子の法線を含み該回折格子の格子と直交する入射面と所定の角度をなす入射面もつレーザパルスを回折格子に入射させるので、回折格子及び再帰反射手段を通過してくるレーザパルスは、回折格子の法線を含み回折格子に刻まれている格子と直交する面内から離れ、構成要素でのレーザパルスの蹴られがなくなる。また、そのことにより、回折格子に入射されるレーザパルスの回折格子の法線を含み格子と直交する面内での入射角を変更することができるようになり、回折格子の回折効率を高くして圧縮装置の透過率を高くすることができる。

請求項３の発明によれば、反射鏡の大きさを反射鏡の近くを往復するレーザパルスの光軸を結ぶ最短距離から光軸を結ぶ方向のレーザパルスのビーム幅を引いた値より小さくしたので、他の構成要素との干渉及び反射鏡による蹴られをさらに抑制することができる。

請求項４の発明によれば、入射角変更手段で回折格子に入射されるレーザパルスの回折格子の法線を含み格子と直交する面内での入射角を変更することにより、回折格子の回折効率を高くして圧縮装置の透過率を高くすることができる。

請求項５の発明によれば、反射鏡の大きさが、必要最小限の大きさであるので、他の構成要素との干渉及び反射鏡による蹴られをさらに抑制することができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るレーザパルス圧縮装置の構成図である。図２は、図１の回折格子に様々な方向から入射するレーザパルスがどの方向に反射回折されるかを説明する３次元表示の図である。図３は、図１のＤ₁−Ｄ₁線断面図である。

先ず、装置の構成を説明する。図示するように、本実施形態のレーザパルス圧縮装置は、回折格子１と、回折格子１に入射するレーザパルスＬ₁の回折格子１の法線Ｎ₁を含む入射面を法線Ｎ₁の回りに回転させる入射面回転手段（入射手段）２と、回折格子１に平行配置された回折格子３と、回折格子１、３内を通過したレーザパルスＬ₃を反射して再び回折格子１、３内へ入射させる反射鏡４と、を有している。

回折格子１と３は、反射型平面回折格子で、例えば、平面ガラス上に蒸着されたアルミニウム膜に、ダイヤモンドで規則的に線を引いて作られている。線と線の間が入射した光を反射し回折する。線すなわち格子１１と３１は、法線Ｎ₁、Ｎ₃をｚ軸とする座標系のｙ、ｙ’軸（紙面であるｘ−ｚ面或いはｘ’−ｚ’面に直交する）方向に引かれている。また、回折格子１と、３とは、紙面と直交する軸１２、３２の回りに回転可能に図示しない光学定盤に設置されている。

なお、回折格子１と３にホログラム技術を使って作製されるホログラフィックグレーティングを用いることもできる。

入射面回転手段２は、ｘ軸方向と平行で両端がホルダ２２に両端が固定された軸２３に反射鏡２１が軸支された構造で、反射鏡２１の入反射面が軸２３の回りに時計回り（矢印２−１）或いは反時計回り（矢印２−２）方向に所定の角度（以後、’あおり角度’と呼ぶ）回転させ（あお）られてねじ２４で保持されている。したがって、反射鏡２１のあおり角度がねじ２４によって設定される構造になっている。

反射鏡４の反射面は、紙面に垂直な面である。

上記構成の圧縮装置において、構成要素間の干渉を抑え、透過率を上げることができることを説明する前に、図２を説明する。図２において、回折格子１の回折面がｘ−ｙ平面に平行で、入反射点での法線Ｎ₁がｚ軸方向である。１３−１は、法線Ｎ₁を含み格子１１と直交する（ｘ−ｚ面に平行な）入反射面、１３−２は、入反射面１３−１を法線Ｎ₁の回りにαだけ時計回りに回転させた入反射面、１３−３は、入反射面１３−１を法線Ｎ₁の回りにα’だけ反時計回りに回転させた入反射面である。すると、入反射面１３−１内に入射するレーザパルスをＬ₁（θ₀，０）、入反射面１３−２内に入射するレーザパルスをＬ₁（θ₀，α）、入反射面１３−３内に入射するレーザパルスをＬ₁（θ₀，α’）と表すことができる。また、入反射面１３−１内から出射するレーザパルスはＬ₂（θ，０）、入反射面１３−２内から出射するレーザパルスはＬ₂（θ，α）、入反射面１３−３内から出射するレーザパルスはＬ₂（θ，α’）と表すことができる。ここで、θ₀、θは、それぞれ、ｘ−ｚ面に平行な入反射面１３−１内の入射角、回折角である。

次に本圧縮装置において、構成要素間の干渉を抑え、透過率を上げることができることを説明する。入射面回転手段２に入射するレーザパルスＬ₀は、反射鏡２１が軸２３の回りに所定のあおり角度α或いはα’あおられることで、Ｌ₁（θ₀，α）、或いはＬ₁（θ₀，α’）のように回折格子１に入射する（図２参照）。例えば、入射面回転手段２の反射鏡２１を反時計回り（矢印２−２）方向にあおり角αだけあおると、回折格子１に入射するレーザパルスＬ₁は、図２において、Ｌ₁（θ₀，α）で表されるように、Ａ₀”→Ｏ₁（斜め上から入射点Ｏ₁に、図１では、紙面から−ｙ’方向に）、Ｏ₁→Ｂ₀”（入射点Ｏ₁から斜め下に、図１では、紙面から−ｙ’方向に）と進む。回折格子３に入射するレーザパルスＬ₂は、同様に、斜め上から入射点Ｏ₃に（図１では、紙面から−ｙ’方向に）、入射点Ｏ₃から斜め下に（図１では、紙面から−ｙ’方向に）、と進む。その結果、反射鏡４でのレーザパルスＬ₃は、図３に示すように、ｘ’−ｙ’平面では、ｘ’軸（図１の紙面）からＳ₁（以後、段差と呼ぶ）下がった位置にある。したがって、回折格子１と反射鏡４の干渉、及び回折格子１でのレーザパルスＬ₃の蹴られが抑制される。

回折格子１と３との間の光路長をＲ₁、回折格子３と反射鏡４との間の光路長をＲ₂とすると、段差Ｓ₁は、
Ｓ₁≒α（Ｒ₁＋Ｒ₂） （１）
と表される。ここで、光路長は、レーザパルスの中心光路長で測られる。回折格子１のｙ或いはｙ’方向の幅（高さ）を２ｈ、反射鏡４のｙ’方向の幅（高さ）を２ｈ’とすると、
Ｓ₁＞（ｈ＋ｈ’） （２）
を満たすようにすれば、干渉をなくすことができる。

レーザパルスＬ₁は、回折格子１によって波長に応じて回折されｘ’−ｚ’平面（図１の紙面）で発散するレーザパルスＬ₂になり、回折格子３によってｘ’−ｚ’平面（図１の紙面）でコリメートされたレーザパルスＬ₃になる。すなわち、図３に示すようにレーザパルスＬ₃の断面形状は、ｘ’方向に広く、ｙ’方向に狭い。したがって、例えば、反射鏡４の２ｈ’をレーザパルスＬ₃のｙ’方向の幅より少し大きくすることで、（２）式を容易に満たすようにすることができる。

上記のように、レーザパルスＬ₃に段差Ｓ₁をつけた状態で、回折格子１と３を軸１２、３２の回りに反時計方向に回転させ（上記のように、回折格子１と、３とは、紙面と直交する軸１２、３２の回りに回転可能に図示しない光学定盤に設置されているので、回折格子１と３は、入射角変更手段を兼ねている。）、入射角θ₀を回折効率が最大になる例えば、７２°にする。すると、レーザパルスＬ₃は、Ａ₁方向に移動するが、図３に示すように、ｘ’軸（図１の紙面）から段差Ｓ₁があるので、回折格子１と反射鏡４とが干渉することもないし、回折格子１でレーザパルスＬ₃が蹴られることもない。

なお、本実施形態の圧縮装置では、回折格子１の上流に入射面回転手段２を用いているが、２の入射面回転手段を省いて、回折格子１、３を軸１２、３２と直交し格子の刻まれた回折面と平行な軸の回りに、それぞれあおることができる機構をつけてもよい。また、入射面回転手段２の回転機構を省いて、所定角度に予め設定しておいてもよい。

（実施形態２）
図４は、本発明の実施形態２に係るレーザパルス圧縮装置の構成図である。図５は、図４のＤ₂−Ｄ₂線断面図である。

先ず、装置の構成を説明する。図示するように、本実施形態のレーザパルス圧縮装置は、図１に示す実施形態１の圧縮装置で回折格子３を再帰反射手段３’に変更した以外は、構成要素が同じである。すなわち、本実施形態のレーザパルス圧縮装置は、回折格子１と、回折格子１に入射するレーザパルスＬ₁の回折格子１の法線Ｎ_1-1を含む入射面を法線Ｎ_1-1の回りに回転させる入射面回転手段２と、回折格子１に対向配置され、回折格子１から出射されるレーザパルスＬ₂を回折格子１に再帰反射させる再帰反射手段３’と、回折格子１及び再帰反射手段３’を通過してくるレーザパルスＬ₃を反射して回折格子１及び再帰反射手段３’に再び戻してやるように配置された反射鏡４と、を有している。実施形態１の圧縮装置（図１）と同じ構成要素には同じ符号を付し説明を省略する。

再帰反射手段３’は、例えば、図４に示すような反射鏡２枚を反射面が直交するように配置したコーナーミラー、或いは、直角プリズムなどである。

次に本圧縮装置において、構成要素間の干渉を抑え、透過率を上げることができることを説明する。例えば、入射面回転手段２の反射鏡２１を反時計回り（矢印２−２）方向にあおり角αだけあおると、回折格子１に入射するレーザパルスＬ₁は、図２において、Ｌ₁（θ₀，α）で表されるように、Ａ₀”→Ｏ_1-1（斜め上から入射点Ｏ_1-1に、図４では、紙面から−ｙ’方向に）、Ｏ_1-1→Ｂ₀”（入射点Ｏ_1-1から斜め下に、図４では、紙面から−ｙ’方向に）と進む。コーナーミラー３’に入射するレーザパルスＬ₂は、同様に、斜め上から入射点Ｏ’_3-1に（図４では、紙面から−ｙ’方向に）、入射点Ｏ’_3-1から斜め下に（図４では、紙面から−ｙ’方向に）、と進む。その後も順次斜め上から入射点Ｏ’_3-2、Ｏ_1-2と進み、その結果、反射鏡４の反射面に平行な断面線Ｄ₂−Ｄ₂で切った断面でのレーザパルスＬ₂とＬ₃は、図５に示すようになる。すなわち、図５に示すように、ｘ’−ｙ’平面では、ｘ’軸（図４の紙面）から往路のレーザパルスＬ₂（実線）は、Ｓ₂（以後、段差と呼ぶ）下がった位置に、レーザパルスＬ₃は、さらにＳ₃（以後、段差と呼ぶ）下がった位置に、復路のレーザパルスＬ₂（点線）は、さらにＳ₄（以後、段差と呼ぶ）下がった位置に位置する。したがって、コーナーミラー３’と反射鏡４の干渉、及び反射鏡４でのレーザパルスＬ₂の蹴られが抑制される。

回折格子１のＯ_1-1からＤ₂−Ｄ₂線までの光路長をＲ₃、Ｄ₂−Ｄ₂線→Ｏ’_3-1→Ｏ’_3-2→Ｏ_1-2→反射鏡４までの光路長をＲ₄とすると、段差Ｓ₂、Ｓ₃、Ｓ₄は、
Ｓ₂≒αＲ₃ （３）
Ｓ₃＝Ｓ₄≒αＲ₄ （４）
と表される。すなわち、レーザパルスＬ₂が往路と復路でｙ’方向（図４の紙面と直交する方向）に２αＲ₄隔てて（スプリットして）位置し、その中間にレーザパルスＬ₃が位置する。

反射鏡４のｙ或いはｙ’方向の幅（高さ）を２ｈ”とすると、
Ｓ₃＋Ｓ₄＝２αＲ₄＞２ｈ” （５）
を満たすようにすれば、蹴られをなくすことができる。

上記のように、レーザパルスＬ₂、Ｌ₃に段差Ｓ₂、Ｓ₃、Ｓ₄をつけた状態で、回折格子１を軸１２の回りに時計（矢印１−１）方向に回転させ（回折格子１は、入射角変更手段を兼ねている）、入射角θ₀を回折効率が最大になる例えば、７２°にする。すると、レーザパルスＬ₂は、矢印Ａ₂方向に移動し、レーザパルスＬ₃は、矢印Ｂ₁方向に移動し、図５Ａに示すように、反射鏡４によるレーザパルスＬ₂の蹴られが始まる。しかし、レーザパルスＬ₂が往路と復路で２αＲ₄隔ててスプリットし、レーザパルスＬ₃がその中間に位置するので、反射鏡４の高さ２ｈ”を（５）式を満たすようにすることで、図５Ｂに示すように、蹴られをなくすことができる。

なお、本実施形態の圧縮装置では、回折格子１の上流に入射面回転手段２を用いているが、２の入射面回転手段を省いて、回折格子１を軸１２と直交し格子の刻まれた回折面と平行な軸の回りに、あおることができる機構をつけてもよい。

（実施例１）
図６は、本実施例のレーザパルス圧縮装置を用いた超短パルスレーザ装置の構成図である。２０は、チャープ短光パルス光源で、モードロックファイバーレーザー２０１と、ファイバー伸張器２０２からなる。３０は、パルスを間引くための光変調器、３１は前置増幅器、３２は主増幅器、であり、それぞれがファイバーで連結されている。３３は、ファイバーの端部に連結されたコリメータで、ファイバーからの出射光をコリメートする。３４は、コリメータから出射されるレーザパルスを圧縮する本実施例の圧縮装置である。

図７と図８は、図６の圧縮装置３４及び圧縮装置３４の入出力光学系の平面図と斜視図である。本実施例の圧縮装置３４は、実施形態２の圧縮装置（図４）の入射面回転手段２を入射面回転手段２’にした以外は、実施形態２と同じである。

入射面回転手段２’は、定盤面３３０から垂直に立ち上がるＬ字状プレート２５’と、反射鏡２１’が固定されたプレート２６’を備え、プレート２６’は、Ｌ字状プレート２５’に図示しないスプリングで付勢され、３点支持されている。３点のうち１点は固定点で、残り２点はねじ２４’の先端である。２本のねじ２４’を出し入れすることで、反射鏡２１’をｙ軸に平行な軸２’−１、ｚ軸と平行な軸２’−２の回りにあおることができる。

回折格子１は、格子ピッチ１２００本／ｍｍのホログラフィックグレーティングで、図１０に示す回折効率特性を有している。

反射鏡２１’、コーナーミラー３’、反射鏡４’、光路折り曲げミラー２７、及び出力取り出しミラー２８は、全て誘電体多層膜ミラーで、反射率９９％であり、図７においては反射面が紙面に垂直な面である。

回折格子１とコーナーミラー３’の間隔が１８０ｍｍ、回折格子１と反射鏡４’の間隔が１２０ｍｍであり、回折格子１のＯ_1-1からＤ’−Ｄ’線までの光路長Ｒ₃＝１２０ｍｍである。Ｄ’−Ｄ’線からＯ’_3-1までの光路長が４０ｍｍ、Ｏ’_3-1からＯ’_3-2までの光路長が２５ｍｍであるので、Ｄ’−Ｄ’線→Ｏ’_3-1→Ｏ’_3-2→Ｏ_1-2→反射鏡４’までの光路長Ｒ₄＝３６５ｍｍである。

回折格子１に入射するレーザパルスＬ₁の上向きのあおり角αを０．７８°にすると、（４）式から
αＲ₄＝（０．７８／１８０）π×３６５ｍｍ＝５ｍｍ
であることがわかる。したがって、レーザパルスＬ₂の往路と復路の断面パターンが１０ｍｍ隔ててスプリットすることが予想される。また、Ｄ’−Ｄ’線断面でのレーザパルスＬ₂、Ｌ₃の断面パターンが、事前の観測から上下（ｙ’）方向に短軸をもち、左右（ｘ’）方向に長軸をもつ楕円状であり、短軸が約２ｍｍ、長軸が約１５ｍｍであった。そこで、回折格子１へのレーザパルスＬ₁の入射角θ₀を小さくしても反射鏡４’によるレーザパルスＬ₂の蹴られがないようにするためには、反射鏡４’の上下（ｙ’）方向の幅を、レーザパルスＬ₃の断面パターンより大きく、スプリットするレーザパターンＬ₂の間隔より小さくする必要があり、反射鏡４’の上下方向の大きさ（２ｈ”）を５ｍｍとした。

次に、本実施例の圧縮装置の動作及び動作結果を説明する。まず、入射面回転手段２’のねじ２４’を調節して、上向きのあおり角αを０．７８°にし、回折格子１に上向きに０．７８°あおられた（あおり角α＝０．７８°の）レーザパルスＬ₁が入射されるようにする。次に、回折格子１を軸１２の回りに回転させ、レーザパルスＬ₁の入射角θ₀を７２°に調節する。次に、コリメータホルダ３３１に図６のコリメータ３３をマウントしてコリメートされたレーザパルスを光路折り曲げミラー２７を介して圧縮装置３４に入射させることで、出力取り出しミラー２８から圧縮されたレーザパルスが出射される。

光路折り曲げ曲げミラー２７に入射されるレーザパルスは、伸張器２０２で伸張され、光変調器３０でパルスが間引かれ、増幅器３１、３２で増幅され、コリメータ３３でコリメートされ、次のような特性を持っていた。すなわち、中心波長：１５５８．０ｎｍ、スペクトルバンド幅：９．８ｎｍ、パルス幅：２５０ｐｓ、繰り返し周波数：１５３ｋＨｚ、平均パワー：７１２ｍＷ、ビーム径：２ｍｍのレーザパルスを光路折り曲げミラー２７に入射させたところ、次のような結果が得られた。

図９は、図７のＤ’−Ｄ’線断面図で、これは、Ｄ’−Ｄ’線断面にＩＲ可視化プレートを置いてレーザパルスＬ₂、Ｌ₃の断面パターンを可視化してスケッチしたものである。レーザパルスＬ₂の往路と復路の断面パターンは、約１０ｍｍの間隔を隔てて上下方向にスプリットし、レーザパルスＬ₃が丁度その中間に位置することが確認された。さらに、レーザパルスＬ₂とＬ₃の左右方向の間隔が約１０ｍｍしかないが、反射鏡４’の高さ方向の幅が５ｍｍであるため、反射鏡４’によるレーザパルスＬ₂の蹴られがなかった。

本実施例では、反射鏡４’の高さ方向の幅が５ｍｍであり、レーザパルスＬ₂の往路と復路の光軸を結ぶ方向のレーザパルスのビーム幅（２ｍｍ）を基準にすると、その２．５倍になっていることがわかる。この反射鏡４’の高さ方向の幅は、前記ビーム幅の１倍まですることができる。１倍にするとレーザパルスＬ₂の干渉や蹴られはなくなるが、反射すべきレーザパルスＬ₃をすべて反射させるためには調整に長時間を要する。一方、反射鏡４’の高さ方向の幅を大きくすると、調整は簡単になるが蹴られや干渉が避けられなくなる。したがって、反射鏡４’の高さ方向の幅は、レーザパルスＬ₂の往路と復路の光軸を結ぶ方向のレーザパルスのビーム幅を基準にすると、３倍以下、好ましくは２．５倍以下である。

出力取り出しミラー２８から取り出されるレーザパルスをパワーメータ、スペアナ、オッシロスコープ等で測定解析した結果、中心波長：１５５８．０ｎｍ、スペクトルバンド幅：８．８ｎｍ、パルス幅：９０５ｆｓ、繰り返し周波数：１５３ｋＨｚ、平均パワー：５３５ｍＷ、であった。

上記動作結果から、本実施例の圧縮装置の透過率は７５％（５３５／７１２＝０．７５）であることがわかる。この高透過率は、以下のようにすることで回折格子１へのレーザパルスの入射角を回折効率が最大になる入射角にすることができ、達成されたものである。すなわち、回折格子１へ入射するレーザパルスに入射面回転手段２’であおりをつけることで、反射鏡４’の近傍を通過するレーザパルスＬ₂を上下方向にスプリットさせ、反射鏡４’の上下方向の幅をスプリット間隔以下にすることで、反射鏡４’によるレーザパルスＬ₂の蹴られをなくすることで、達成された。なお、透過率７５％は、本実施例の場合、反射率９９％の誘電体多層膜ミラーを９回反射し、回折効率９５％の回折格子で４回回折されるので、
（０．９９）⁹×（０．９５）⁴＝０．７５
であり、計算と一致した。

回折格子１へあおり角をつけて入射させることの圧縮性能への影響を調べた。すなわち、あおり角度が、上記のように０．８°の場合と、０°（あおりなし）の場合で、圧縮後のパルス幅に違いがあるかを調べたところ、違いが見られなかった。なお、この結果は、回折格子への入射角θ₀が７２°では、あおり角度が０°のとき駆られが発生するので、入射角θ₀を蹴られの発生しない、８５°にして行われたものである。

本発明のレーザパルス圧縮装置及び方法は、加工用レーザ光源、通信用レーザ光源、計測・制御用レーザ光源等に適用され、産業上の利用可能性が極めて高いものである。

本発明の実施形態１に係るレーザパルス圧縮装置の構成図である。 図１の回折格子に様々な方向から入射するレーザパルスがどの方向に反射回折されるかを説明する３次元表示の図である。 図１のＤ₁−Ｄ₁線断面図である。 本発明の実施形態２に係るレーザパルス圧縮装置の構成図である。 図４のＤ₂−Ｄ₂線断面図である。 実施例１のレーザパルス圧縮装置を用いた超短パルスレーザ装置の構成図である。 実施例１の圧縮装置及びその入出力光学系の平面図である。 実施例１の圧縮装置及びその入出力光学系の斜視図である。 図７のＤ’−Ｄ’線断面図である。 回折格子の回折効率と入射角の関係を示すグラフである。 従来のレーザパルス圧縮装置の構成図である。 別の従来のレーザパルス圧縮装置の構成図である。

符号の説明

１・・・・・・・・・・・・回折格子（入射角変更手段）
１、３・・・・・・・・・・回折格子対
２、２’・・・・・・・・・入射面回転手段（入射手段）
４、４’・・・・・・・・・反射鏡
３’・・・・・・・・・・・再帰反射手段

Claims (5)

1. 回折格子対と、
   前記回折格子対の一方の回折格子に該回折格子の法線を含み該回折格子の格子と直交する入射面と所定の角度をなす入射面もつレーザパルスを入射させる入射手段と、
   前記回折格子対内を通過してくる前記レーザパルスを反射して該回折格子対内に再び入射するように配置された反射鏡と、
   を備えることを特徴とするレーザパルス圧縮装置。
2. 回折格子と、
   前記回折格子に該回折格子の法線を含み該回折格子の格子と直交する入射面と所定の角度をなす入射面もつレーザパルスを入射させる入射手段と、
   前記回折格子及び前記再帰反射手段を通過してくる前記レーザパルスを反射して該回折格子及び該再帰反射手段に再び戻すように配置された反射鏡と、
   を備えることを特徴とするレーザパルス圧縮装置。
3. 前記回折格子と前記再帰反射手段との間で往復する前記レーザパルスのうち前記反射鏡に最も近い前記レーザパルスの往路と復路の光軸を結ぶ方向の前記反射鏡の幅は、前記往路と前記復路の光軸を結ぶ最短距離から前記光軸を結ぶ方向の前記レーザパルスのビーム幅を引いた値より小さいことを特徴とする請求項２に記載のレーザパルス圧縮装置。
4. さらに、前記回折格子に入射される前記レーザパルスの該回折格子の法線を含み該回折格子の格子と直交する面内での入射角を変更する入射角変更手段を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザパルス圧縮装置。
5. 前記反射鏡は、前記入射されるレーザパルスの断面形状と略等しい大きさであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザパルス圧縮装置。

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