JP2008042061A - レーザー再生増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】 複雑な光路や装置を導入することなく、簡単な共振器構成でありながら、高効率高繰り返し高出力を平均的に出力することが可能なレーザー再生増幅器を提供すること。
【解決手段】 リング型の共振器を有するレーザー再生増幅器において、前記共振器内に少なくとも、レンズ３と、レンズ３から共振器モードビームのビームウエスト位置にレーザー媒質４とを配置し、レーザー媒質４において発生する熱レンズがレーザー媒質４の入射位置における共振器モードビーム半径に与える影響を低減するとともに、レンズ３の焦点距離と前記共振器長を所定値に設定することにより、レーザー媒質４の入射位置における共振器モードビーム半径を、レーザー媒質４が当該レーザー再生増幅器に適した利得を有する値となるようにしたことを特徴とするレーザー再生増幅器である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザー再生増幅器に係り、特に、レーザー媒質の熱レンズの影響を低減して、高効率で高出力パルスを高繰り返しで得られるレーザー再生増幅器に関する。

レーザー再生増幅器は、共振器中にレーザー媒質を置き、同一のレーザー媒質中で被増幅レーザー光を多数回通過させて多数回増幅することにより、少ない部品点数で高い利得が得られるとともに、効率的に高出力を取り出すことのできる増幅器である。
しかしながら、このようなレーザー再生増幅器において、高出力パルスを平均的に得ようとすると、レーザー媒質中に発生する熱レンズ効果が、被増幅レーザー光の多数回の通過により累積的に作用するため、被増幅レーザー光のビーム半径が大きく変化し、効率の低下、さらには動作不能に陥るという問題があった。
このような問題に対処するために、特許文献１、特許文献２、特許文献３、および特許文献４には、ジグザグスラブ形状の増幅器を用いること記載されている。
また、特許文献５および非特許文献１には、２本のレーザーロッドを対象配置することにより、相互に熱レンズ効果を打ち消す手段が記載されている。
また、特許文献６には、レーザー結晶の熱レンズ効果を位相共役鏡またはディフォーマブルミラーで能動的に補償することが記載されている。
さらに、特許文献７には、熱レンズ効果の補正をレンズで行うことが記載されている。

特開2003−23194号公報 特開2001−203410号公報 特開2000−22253号公報 特開平9−312430号公報 特開2000−174369号公報 特開2005−210037号公報 特開2005−268506号公報 J. Yang and B. Walker, Optics Letters Vol. 26, p453 (2001)

しかし、特許文献１、特許文献２、特許文献３、および特許文献４に記載において、ジグザグスラブ形状は、光学的に複雑な光路をとる必要があり、レーザービームの品質が低下しやすく、またレーザー媒質内で特定な形状の温度分布を必要とするという問題があった。
また、特許文献５および非特許文献１に記載のものは、レーザーロッドを２本必要とする上に、両者の対称性が不完全であると、打ち消すことができなくなるという問題があった。
また、特許文献６に記載のものは、位相共役鏡レーザー光が完全に同じ条件で逆方向に反射増幅される場合においてのみ有効であり、リング型共振器には適用できない。また、現在知られている位相共役鏡は限られたパワー密度領域でのみ動作するものであり、再生増幅器には適用できない。また、ディフォーマブルミラーは大型かつ複雑で高価なものであり、能動的に補償するために別途ビーム歪み量を検出する検出装置と、その歪み量に基づいてミラーの形状を決定して駆動するためのコンピュータが必要となる問題があった。
さらに、特許文献７に記載のものは、再生増幅器ではなく、レーザー媒質を４回通過するだけのマルチパス増幅器に関するものである。マルチパス増幅器では各増幅ごとに光路が異なるため、簡単なレンズによる補正が可能であるが、再生増幅器では、同じ光路を多数回通過するために単に補正用レンズを挿入しただけでは熱レンズ効果を補償することはできないという問題があった。

本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、複雑な光路や装置を導入することなく、簡単な共振器構成でありながら、高効率高繰り返し高出力を平均的に出力することが可能なレーザー再生増幅器を提供することにある。

上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
第１の手段は、リング型の共振器を有するレーザー再生増幅器において、前記共振器内に少なくとも、レンズと、該レンズから共振器モードビームのビームウエスト位置にレーザー媒質とを配置し、前記レーザー媒質において発生する熱レンズが前記レーザー媒質の入射位置における共振器モードビーム半径に与える影響を低減するとともに、前記レンズの焦点距離と前記共振器長を所定値に設定することにより、前記レーザー媒質の入射位置における共振器モードビーム半径を、レーザー媒質が当該レーザー再生増幅器に適した利得を有する値となるようにしたことを特徴とするレーザー再生増幅器である。
第２の手段は、共振器長Ｌのリング型共振器を有するレーザー波長λのレーザー再生増幅器において、前記共振器内に少なくとも、レンズと、該レンズから共振器モードビームのビームウエスト位置に前記レンズの焦点距離ｆよりもレーザー媒質で発生する熱レンズの焦点距離ｆ_Ｔが長いレーザー媒質とを配置し、前記レーザー媒質の入射位置における励起レーザービームの半径を下記の数式で示される前記レーザー媒質における共振器モードビームの半径ωとなるようにし、かつ励起レーザーのパルスエネルギーによる前記レーザー媒質内の蓄積フリューエンス値が前記レーザー媒質の飽和フリューエンス値の１倍以上５倍以下としたことを特徴とするレーザー再生増幅器である。

第３の手段は、第２の手段において、一定の前記レーザー媒質における共振器モードビームの半径ωを実現するために、前記共振器長Ｌを前記熱レンズの焦点距離ｆ_Ｔに対応して可変したことを特徴とするレーザー再生増幅器である。
第４の手段は、第２の手段または第３の手段において、前記レーザー媒質は、所定の温度以下に下がると熱伝導率が上昇または温度勾配による屈折率変化が低下する物質であって、前記所定の温度以下に冷却されていることを特徴とするレーザー再生増幅器である。
第５の手段は、第４の手段において、前記レーザー媒質は、チタンサファイアであって、１４０Ｋ以下の温度に冷却されていることを特徴とするレーザー再生増幅器である。

共振器モードを決定する要素が、１枚のレンズと１個のレーザー媒質のみという簡単な構成でありながら、レーザー媒質の熱レンズ効果を受けにくく、安定な動作を行えるとともに、高効率高出力で高繰り返し周波数のパルスレーザー光を増幅するレーザー再生増幅器を実現することができる。

はじめに、本発明の概要について説明する。本発明のレーザー再生増幅器は、リング型共振器を採用し、共振器モードを共振器内に配置したレンズによって制御し、このレンズと対称となる位置、即ち、共振器モードビームのビームウエスト位置または共振器長をＬとするときレンズからの光学的距離がＬ／２の位置に、レーザー媒質を配置することにより、レーザー媒質内で発生する熱レンズ効果によるレーザー媒質内における共振器モードビーム半径に与える影響を、最小化するものである。

さらに、レンズの焦点距離と共振器長を調整することにより、レーザー媒質位置における共振器モードビーム半径を制御し、熱レンズ効果があった場合でも、共振器モードビーム半径をレーザー再生増幅器が最も効率良く動作する利得を得るために必要とされるビーム半径に適合させようとするものである。

以下に、本発明の実施形態を図１ないし図３を用いて説明する。
図１は、本発明のレーザー再生増幅器の基本構成を示す図である。
同図に示すように、４枚の反射鏡１によりリング共振器が構成される。リング共振器内には光スイッチ２が配置され、入力となるシードレーザー光Ａをリング共振器内に導入するとともに、増幅後のレーザー光Ｂを出力としてリング共振器外に取り出す。リング共振器の特徴は、往復型増幅器と異なってレーザー光の進行方向が一方向に限られていることである。光スイッチ２は電気光学素子と偏向板で構成され、リング共振器では１個の光スイッチ２で入力と出力の動作を行い、しかも、入力ビームＡと出力ビームＢが完全に分離されているため、リング共振器外に別途分離装置を設ける必要がないという利点を有する。

さらに、リング共振器内には、共振器モードを制御するためのレンズ３を配置する。レンズ３と対称な位置、即ち、共振器モードビームのビームウエスト位置または共振器長をＬとするときレンズ３からの光学的距離がＬ／２の位置に、レーザー媒質４を配置する。

レーザー媒質４において熱レンズ効果が発生しない場合には、共振器モードはレンズ３の焦点距離と共振器長によって決まる。レーザー媒質４は、レンズ３と対称な位置にあるため、この位置において共振器モードビーム半径は最小となる。

一方、レーザー媒質４において熱レンズ効果が発生する場合は、そのときのレーザー媒質４における共振器モードビーム半径ωは、下記の数式によって計算することができる。

上式において、ωはレーザー媒質４における共振器モードビームの半径、ｆはレンズ３の焦点距離、ｆ_Ｔはレーザー媒質４の熱レンズの焦点距離、Ｌは共振器長、λはレーザー波長、πは円周率である。

レーザー媒質４において熱レンズ効果が発生したとしても、レーザー媒質４が共振器モードビームのビームウエスト位置にあるため、レーザー媒質４の熱レンズの焦点距離ｆ_Ｔがレンズ３の焦点距離ｆよりも長ければレンズ３が支配的となり、熱レンズ効果によってレーザー媒質４における共振器モードビーム半径ωが受ける影響を最小化することができる。

前記影響を最小化できる位置は、共振器モードビームのビームウエスト位置であり、ビームウエスト位置から離れるに従って前記影響は顕著となり、ビームウエスト位置からレイリー距離以上離れた場所では、ビームは幾何学的に広がる。従って、レーザー媒質４を配置する場所は、レイリー距離に比べて充分にビームウエストに近い場所、例えば、レイリー距離の１／１０位以内とする必要がある。

レーザーパワーが極端に高くなると、レーザー媒質４の熱レンズの焦点距離ｆ_Ｔがレンズ３の焦点距離ｆよりも短くなる。この場合には、共振器長Ｌを短くすることによってレンズ３の焦点距離を短くすることができるが、共振器長は光スイッチ２の動作時間に相当する光学距離よりも短くすることはできない。しかしレーザー媒質４としてチタンサファイアなどを用いた場合は、極低温に冷却することにより熱レンズの焦点距離を長くできるものがある。この場合には極低温に冷却することにより、さらに高いパワー領域での動作が可能となる。

ところで、レーザー再生増幅器の効率、即ち、励起に使用したレーザーエネルギーからレーザー再生増幅器の出力エネルギーへの変換効率は、１周回あたりの共振器の損失とレーザー媒質４における利得が主要な決定要素となる。レーザー媒質４における利得は、蓄積フリューエンス、即ち、レーザービームの単位断面積あたりにレーザー媒質４内に蓄積された励起エネルギーとレーザー媒質４に固有な飽和フリューエンスとの比によって決まる。

レーザー再生増幅器においては入力パルスはレーザー媒質４を多数回通過しながら増幅され、通過に伴ってレーザー媒質４の利得はＦｒａｎｔｚ−Ｎｏｄｖｉｋの理論に基づき減少していく。従って損失とのバランスにより、最大の出力パルスエネルギーが得られるタイミングで光スイッチ２により、出力パルスを外部に取り出す。

図２は、初期蓄積フリューエンスと飽和フリューエンスの比Ｅｓを係数として表し、リング共振器の損失との関係で出力が最大になる増幅回数を計算し、その出力と蓄積エネルギーの比を抽出効率として示した図である。
同図に示すように、損失が低く、蓄積フリューエンスが高い方が効率が良くなる。しかしレーザー再生増幅器では利得を上げ過ぎると本来の共振器モード以外の寄生発振が発生し、急激に効率が低下する。従ってレーザー再生増幅器においては利得の最適値が存在する。

レーザー再生増幅器において最適な利得を得るためには、それに対応した蓄積フリューエンスが必要である。蓄積フリューエンスはレーザー媒質４内における単位断面積あたりの蓄積エネルギーである。蓄積エネルギーは励起レーザーのパルスエネルギーにレーザー媒質４の吸収係数とストークス係数をかけたものである。またレーザー媒質４内におけるビーム断面積はレーザービームがレーザー媒質４に垂直に入射する場合にはレーザービーム断面積に等しく、レーザー媒質４における共振器モードビーム半径ωの円の面積となるが、ブリュースター角度など垂直に入射しない場合には幾何学形状による係数をかけたものとなる。

励起ビームのエネルギーを空間的に無駄なくレーザー出力に変換するためには、励起ビーム半径が、レーザー媒質４の入口において、レーザー媒質４における共振器モードビーム半径ωと一致する必要がある。両者が一致しない場合にはその不一致面積に相当するエネルギーが損失となる。従って、損失を１０％以下に抑えるためには両者を５％の精度で一致させる必要がある。

レーザー媒質４における共振器モードビーム半径ωは、共振器長Ｌをレンズ３の焦点距離ｆの４倍に近づけることにより小さくすることができる。しかし、共振器長Ｌがレンズ３の焦点距離ｆの４倍を越えると、リング共振器の安定領域からはずれるため、共振器長Ｌをレンズ３の焦点距離ｆの４倍に近づけられるのは実際の製作精度を考慮した範囲内である。また、励起ビームの半径は励起ビームの品質と集光形態によって最小値が制限される。これらの要因により共振器長Ｌの最大値が制限を受ける。一方、共振器長Ｌを短くした場合には、共振器モードビーム半径ωが大きくなって利得が低下し、また共振器長Ｌの最小値は光スイッチ２の動作時間に相当する光学距離よりも短くすることはできない。これらの制限範囲内で、適切な利得を実現する共振器長Ｌを選択する必要がある。

以上のことから、本発明においては、レーザー媒質４の入口位置における励起レーザービーム半径を上記の数式で計算されるレーザー媒質４における共振器モードビーム半径ωとし、かつ励起レーザーのパルスエネルギーによるレーザー媒質４内の蓄積フリューエンスがレーザー媒質４の飽和フリューエンス値の１倍以上５倍以下とすることにより、動作が安定で高効率となる条件を実現することができる。

なお、レンズ３は、図１に示したように単一の固定レンズとしても良いし、または複数のレンズを組み合わせて等価的に１枚のレンズを構成した可変レンズであっても良い。また共振器長Ｌはコーナーキューブやスライドステージなどを用いることにより、可変とすることができ、そうした場合には装置を組み上げた後であっても、動作条件に合わせて容易に修正することができる。

図３は、本発明のレーザー再生増幅器の実施例を示す図である。
同図において、液体窒素冷却したチタンサファイアロッドからなるレーザー媒質４を２台の励起用グリーンレーザー５で両側から励起する。励起ビームの光路の関係でリング共振器を構成する反射鏡１を６枚使用しているが、原理的な構成は図１と全く同じである。光スイッチ２の動作時間が１０ｎｓであるので、共振器長は３ｍ以上でなければならない。レーザー媒質４の熱レンズの焦点距離ｆ_Ｔが２．２ｍに対して凸レンズ３の焦点距離ｆを１ｍとし、共振器長Ｌを３．８ｍとしたとき、レーザー媒質４における共振器モードビーム半径ωは０．３９ｍｍである。最大励起パワー１８０Ｗにおいては、励起パルスエネルギー１８ｍＪ、吸収係数９７％、ストークス係数６６．７％、ブリュースター入射の係数０．５８であり、蓄積フリューエンスは１．４Ｊ／平方センチで、飽和フリューエンス０．９２Ｊ／平方センチの１．６倍とした。このレーザー媒質４により０．８ｎＪの入力レーザーパルスを１０回増幅した後、出力として取り出した。

図４は、低い励起パワーから最大励起パワー１８０Ｗまでの各励起パワーに対する出力パワーの関係を示すグラフである。
同図に示すように、１８０Ｗの励起パワーでは１０ｋＨｚの繰り返しで１００ｆｓ以下の極単パルスに圧縮可能なチャープドパルスが平均出力５３Ｗで得られている。この出力はチタンサファイアレーザー再生増幅器から得られた出力としては世界最大級であり、１本のレーザーロッドとリング共振器という簡単な構成であるにも関わらず、複雑な多段増幅システムをもしのぐ出力が得られる。

上記のごとく、本発明のレーザー再生増幅器によれば、簡単な構成で高出力のパルスレーザー光が得られるだけでなく、優れたビーム品質で高繰り返し高エネルギーの極短パルスレーザー光が得られ、各種産業用レーザーとして利用可能である。特に、図３に示した実施例１のレーザー再生増幅器は、レーザープラズマＸ線光源や極端紫外光発生装置の励起レーザーとして有用であり、また高い平均出力とパルスパワーを有するため、フェムト秒レーザー加工を現実的な加工速度が得られる産業上の加工手段とすることができる。

本発明のレーザー再生増幅器の基本構成を示す図である。 初期蓄積フリューエンスと飽和フリューエンスの比Ｅｓを係数として表し、リング共振器の損失との関係で出力が最大になる増幅回数を計算し、その出力と蓄積エネルギーの比を抽出効率として示した図である。 本発明のレーザー再生増幅器の実施例を示す図である。 低い励起パワーから最大励起パワー１８０Ｗまでの各励起パワーに対する出力パワーの関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 反射鏡
２ 光スイッチ
３ レンズ
４ レーザー媒質
５ 励起用グリーンレーザー
Ａ レーザー光
Ｂ レーザー光
Ｅｓ 初期蓄積フリューエンスと飽和フリューエンスの比
ω レーザー媒質４における共振器モードビームの半径
ｆ レンズ３の焦点距離
ｆ_Ｔ レーザー媒質４の熱レンズの焦点距離
Ｌ 共振器長
λ レーザー波長
π 円周率

Claims (5)

1. リング型の共振器を有するレーザー再生増幅器において、前記共振器内に少なくとも、レンズと、該レンズから共振器モードビームのビームウエスト位置にレーザー媒質とを配置し、前記レーザー媒質において発生する熱レンズが前記レーザー媒質の入射位置における共振器モードビーム半径に与える影響を低減するとともに、前記レンズの焦点距離と前記共振器長を所定値に設定することにより、前記レーザー媒質の入射位置における共振器モードビーム半径を、レーザー媒質が当該レーザー再生増幅器に適した利得を有する値となるようにしたことを特徴とするレーザー再生増幅器。
2. 共振器長Ｌのリング型共振器を有するレーザー波長λのレーザー再生増幅器において、前記共振器内に少なくとも、レンズと、該レンズから共振器モードビームのビームウエスト位置に前記レンズの焦点距離ｆよりもレーザー媒質で発生する熱レンズの焦点距離ｆ_Ｔが長いレーザー媒質とを配置し、前記レーザー媒質の入射位置における励起レーザービームの半径を下記の数式で示される前記レーザー媒質における共振器モードビームの半径ωとなるようにし、かつ励起レーザーのパルスエネルギーによる前記レーザー媒質内の蓄積フリューエンス値が前記レーザー媒質の飽和フリューエンス値の１倍以上５倍以下としたことを特徴とするレーザー再生増幅器。
   

   
3. 一定の前記レーザー媒質における共振器モードビームの半径ωを実現するために、前記共振器長Ｌを前記熱レンズの焦点距離ｆ_Ｔに対応して可変したことを特徴とする請求項２に記載のレーザー再生増幅器。
4. 前記レーザー媒質は、所定の温度以下に下がると熱伝導率が上昇または温度勾配による屈折率変化が低下する物質であって、前記所定の温度以下に冷却されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のレーザー再生増幅器。
5. 前記レーザー媒質は、チタンサファイアであって、１４０Ｋ以下の温度に冷却されていることを特徴とする請求項４に記載のレーザー再生増幅器。

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