JP2008098496A - チャープパルス増幅器及び増幅方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 偏光ビームスプリッタを用いることなく、かつ増幅後のレーザパルスの空間的な光強度分布や発散角の変化を抑制したチャープパルス増幅器を提供する。
【解決手段】 パルス伸長器が、レーザパルスをチャープすることにより、パルス幅を伸長させる。パルス伸長器によりチャープされたレーザパルスがパルス圧縮器に入射する。パルス圧縮器は回折格子を含み、回折格子によって分光された各波長成分の光路長の差を利用してパルス幅の圧縮を行う。パルス伸長器とパルス圧縮器との間に、レーザパルスの偏光方向を変化させる偏光方向可変手段が配置されている。パルス伸長器とパルス圧縮器との間に、光増幅器が配置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、チャープパルス増幅器及び増幅方法に関し、特に、チャープされたレーザパルスを、回折格子により分光された各波長成分の光路長の差を利用したパルス圧縮器でパルス圧縮を行うチャープパルス増幅器及び増幅方法に関する。

図２Ａに、従来のチャープパルス増幅器のブロック図を示す。レーザ発振器１がレーザパルスを出射する。パルス伸長器２が、レーザ発振器１から出射されたレーザパルスをチャープすることにより、そのパルス幅を伸長させる。

光増幅器３が、チャープされたレーザパルスを増幅する。チャープされたレーザパルスは、パルス幅が長くなったことに対応して、その強度（パワー）が低下している。このため、光増幅器３のレーザ媒質の損傷を防止することができる。

光増幅器３で増幅されたレーザパルスが、パルス圧縮器１０により圧縮される。２枚の回折格子及び２枚の凸レンズを含むパルス伸長器（ストレッチャ）、及び２枚の回折格子と反射鏡とを含むパルス圧縮器（コンプレッサ）が、下記の非特許文献１に開示されている。また、２枚の回折格子と反射鏡とを含むパルス圧縮器が、下記の特許文献１に開示されている。

パルス幅が圧縮されたレーザパルスのパワーが大きくなり、結果として、光増幅器３のレーザ媒質が損傷を受ける限界値よりも高出力のレーザパルスを生成することができる。

図２Ｂ〜図２Ｄに、パルスエネルギを調整することができるチャープパルス増幅器のブロック図を示す。

図２Ｂに示した装置では、光増幅器３とパルス圧縮器１０との間に、アッテネータ５０が配置されている。アッテネータ５０は、偏光子５１と偏光ビームスプリッタ５２により構成される。偏光子５１を回転させることにより、偏光ビームスプリッタ５２に入射するレーザビームのＰ偏光成分とＳ偏光成分との比を変えることができる。Ｐ偏光成分のみが偏光ビームスプリッタ５２を直進してパルス圧縮器１０に到達する。従って、偏光子５１により、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分との比を変化させることにより、パルス圧縮器１０から出力されるレーザパルスのパルスエネルギを調整することができる。下記の非特許文献２に、偏光子と偏光ビームスプリッタとの組み合わせにより、パルスエネルギを変化させる技術が開示されている。

図２Ｃに示した装置では、パルス伸長器２と光増幅器３との間に、アッテネータ５０が配置されている。光増幅器３に入射する前のレーザパルスのパワーを調整することにより、パルス圧縮器１０から出力されるレーザパルスのパルスエネルギを調整することができる。

図２Ｄに示した装置では、光増幅器３のレーザ媒質の励起用光源５５から出射される励起光の強度を変化させることにより、光増幅器３の増幅率を調整する。これにより、パルス圧縮器１０から出力されるレーザパルスのパルスエネルギが調整される。

米国特許第５、５４１、９４７号明細書 S. Backus et al., "Highpower ultrafast lasers, Review of Scientific Instruments", AmericanInstitute of Physics, March 1998, Vol. 69, No. 3, p.1207-1223 H. Chu et al., "A versatile10-TW laser system with robust passive controls to achieve high stability andspatiotemporal quality", May 2004, Applied Physics B 79, p.193-201

図２Ｂに示した装置では、増幅された後の高パワーのレーザパルスが偏光ビームスプリッタ５２に入射する。偏光ビームスプリッタ５２が損傷を受けないようにするために、偏光ビームスプリッタ５２に入射するレーザビームのビーム径を大きくしなければならない。このため、偏光子５１及び偏光ビームスプリッタ５２の開口径を大きくしなければならない。

図２Ｃに示した装置では、光増幅器３へ入射するレーザパルスのパルスエネルギの変化量と、増幅後のレーザパルスのパルスエネルギの変化量とは、線型の関係を示さず、増幅後のレーザパルスのパルスエネルギの変化量が相対的に小さくなる。このため、パルスエネルギを変化させることができる範囲が限定されてしまう。

図２Ｄに示した装置では、励起光のパワーを変化させると、光増幅器３のレーザ媒質内の温度分布が変化する。このため、増幅後のレーザパルスの空間的な光強度分布や発散角が変化してしまう。

本発明の目的は、偏光ビームスプリッタを用いることなく、かつ増幅後のレーザパルスの空間的な光強度分布や発散角の変化を抑制したチャープパルス増幅器及び増幅方法を提供することである。

本発明の一観点によると、
レーザパルスをチャープすることにより、パルス幅を伸長させるパルス伸長器と、
前記パルス伸長器によりチャープされたレーザパルスが入射する位置に配置され、回折格子によって分光された各波長成分の光路長の差を利用してパルス幅の圧縮を行うパルス圧縮器と、
前記パルス伸長器と前記パルス圧縮器との間に配置され、透過光が、偏光方向可変の直線偏光されたレーザパルスとなる偏光方向可変手段と、
前記パルス伸長器と前記パルス圧縮器との間に配置された光増幅器と
を有するチャープパルス増幅器が提供される。

本発明の他の観点によると、
（ａ）レーザパルスをチャープすることによって、パルス幅を伸長させる工程と、
（ｂ）パルス幅が伸長されたレーザパルスを増幅する工程と、
（ｃ）増幅されたレーザパルスを、回折格子によって分光された各波長成分の光路長の差を利用してパルス幅の圧縮を行うパルス圧縮器に入射させる工程と
を有し、さらに、
（ｄ）前記工程ａの後、前記工程ｃ前に、パルス幅が伸長されたレーザパルスの偏光方向を変化させる工程を含むチャープパルス増幅方法が提供される。

偏光方向可変手段で偏光方向を変化させると、パルス圧縮器を構成する回折格子の回折効率が変化する。このため、パルス圧縮器から出射されるレーザパルスのパルスエネルギを変化させることができる。

図１Ａに、実施例によるチャープパルス増幅装置の概略図を示す。レーザ発振器１が、レーザパルスを出射する。レーザ発振器１は、例えばフェムト秒オーダのパルス幅の直線偏光されたパルスレーザを出力するモードロックチタンサファイアレーザ発振器である。なお、その他のパルスレーザ発振器を用いることも可能である。ただし、そのままでは増幅が困難なピークパワーの高いレーザパルスの増幅を行うという観点から、極短パルス、例えばパルス幅がピコ秒以下のモードロックレーザ発振器を用いる場合に顕著な効果が期待できる。

レーザ発振器１から出射されたレーザパルスがパルス伸長器２に入射する。パルス伸長器２は、入射したレーザパルスをチャープすることにより、パルス幅を伸長させる。パルス伸長器２として、複数の回折格子を配置した分散性遅延線や、波長分散を有する光ファイバ等を用いることができる。パルス伸長器２は、波長の長い赤色成分が、波長の短い青色成分に比べて、より遅延するような構成とされている。このため、レーザパルスは、先行部分が青色成分で構成され、後方部分が赤色成分で構成されるようにチャープされる。

パルス伸長器２によりパルス幅が伸長されたレーザパルスが、光増幅器３に入射する。光増幅器３のレーザ媒質として、レーザ発振器１の発振波長に応じたものが用いられる。レーザ発振器１をチタンサファイアレーザで構成した場合には、光増幅器３のレーザ媒質としてチタンサファイアを用いることができる。

光増幅器３により増幅されたレーザパルスが、半波長板４に入射する。回転機構５が、半波長板４を、レーザビームの光路を中心として回転させる。これにより、半波長板４を透過したレーザパルスの偏光方向を変化させることができる。半波長板４によって偏光方向が制御されたレーザパルスが、パルス圧縮器１０に入射する。

パルス圧縮器１０は、第１の回折格子１２、第２の回折格子１３、及び反射鏡１１、１４、１５を含む。半波長板４によって偏光方向が制御されたレーザパルスは、反射鏡１１の近傍を通過して、第１の回折格子１２に入射角γで入射する。第１の回折格子１２に入射する光線の光路に平行な方向をｚ軸、第１の回折格子１２の溝に平行な方向をｙ軸とするｘｙｚ直交座標系を定義する。

回折格子による回折効率は、入射する光の偏光方向に依存する。一般に、チタンサファイアレーザの波長域において、偏光方向（電界ベクトルの方向）と回折格子１２の溝の方向とが垂直である場合の回折効率が最大になり、両者が平行である場合の回折効率が最小になる。すなわち、偏光方向がｘ軸に平行である場合に、回折効率が最大になり、ｙ軸に平行である場合に回折効率が最小になる。このため、第１の回折格子１２に入射するレーザパルスの偏光方向を半波長板４で変化させることにより、回折効率を変化させることができる。

回折格子１２に入射するレーザパルスは、先行部分が波長の短い青色成分で構成され、後方部分が波長の長い赤色成分になるようにチャープされている。波長によって回折角が異なるため、レーザパルスが第１の回折格子１２により分光される。波長の短い青色成分の回折角θ_Ｂが、波長の長い赤色成分の回折角θ_Ｒよりも大きくなる。波長の異なる成分が、異なる光路に沿って伝搬し、第２の回折格子１３に入射する。第２の回折格子１３は、入射した光線が波長によらず同一方向に回折されるように構成されている。例えば、第１の回折格子１２と第２の回折格子１３とは、溝の周期が同一であり、両者の溝が形成された面が相互に平行に配置され、かつ両者の溝の延在する方向も相互に平行になるように配置されている。

第２の回折格子１３により回折された平行光線が、反射鏡１４にほぼ垂直に入射する。反射鏡１４で反射された光線は、ｚｘ面内に関して入射光の経路と同一の経路を逆方向に伝搬して、第２の回折格子１３に再入射する。第２の回折格子１３に再入射した光線は、第２の回折格子１３で回折され、第１の回折格子１２に再入射する。第１の回折格子１２に再入射した光線は、第１の回折格子１２で回折され、反射鏡１１に入射する。

図１Ａに示すように、反射鏡１１の近傍を通過して反射鏡１４に入射するまでの往路と、反射鏡１４で反射して反射鏡１１に入射するまでの復路とは、ｚｘ面内において同一の経路を辿る。ただし、図１Ｂに示すように、ｙｚ面内においては、往路が反射鏡１１の近傍を通過し、復路が反射鏡１１に入射するように、反射鏡１１が配置された位置において往路と復路とがｙ軸方向にずれている。これは、例えば反射鏡１４による反射光の経路が、入射光の経路よりもｙ軸方向にややずれるように反射鏡１４を配置することにより実現される。第１の回折格子１２に再入射して回折された後は、波長の異なる成分が同一光路上に合成される。

波長の短い青色成分の光路長が、波長の長い赤色成分の光路長よりも長いため、レーザパルスの先行部分を構成していた青色成分が、後方部分を構成していた赤色成分に比べてより大きく遅延する。このため、パルス幅が短くなり、レーザパルスが圧縮される。

反射鏡１１で反射されたレーザパルスは、他の反射鏡１５で反射されて、パルス圧縮器１０から出射される。半波長板４により直線偏光光の偏光方向を変化させると、第１の回折格子１２の回折効率が変化するため、パルス圧縮器１０から出射するレーザパルスのパルスエネルギを変化させることができる。

上記実施例では、第１の回折格子１２の回折効率が、入射光の偏光方向に依存することを利用してパワーを調節するため、図２Ｂ及び図２Ｃに示したチャープパルス増幅器の偏光ビームスプリッタ５２を使用する必要がない。また、光増幅器３の増幅率を調整する必要が無いため、光増幅器３のレーザ媒質の温度分布を一定に維持することができる。このため、レーザビームの光強度分布や発散角の乱れを抑制することができる。

光増幅器３を通過しても偏光状態及び偏光方向が維持されるのであれば、半波長板４をパルス伸長器２と光増幅器３との間に配置してもよい。

上記実施例では、パルス圧縮器１０を、２枚の回折格子と、複数の反射鏡で構成したが、異なる波長成分の光路長を、相互に異ならせることができ、最終的に異なる波長成分の光線を同一光路上に合成することができる他の構成としてもよい。なお、パルス伸長器２の伝搬遅延時間の波長分散特性と、パルス圧縮器１０の伝搬遅延時間の波長分散特性とを、相互に逆特性にしなければならないことは言うまでもない。

上記実施例では、半波長板４を回転させることによって、直線偏光されたレーザパルスの偏光方向を制御したが、レーザパルスがランダム偏光である場合には、半波長板に代えて偏光子を用いればよい。偏光子を回転させることによって、偏光方向が制御された直線偏光のレーザパルスを得ることができる。なお、この場合には、ランダム偏光されたレーザパルスのエネルギの約５０％しか利用できないことになる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

（１Ａ）は、実施例によるチャープパルス増幅装置の概略図であり、（１Ｂ）は、反射鏡とレーザパルスの光路との相対位置関係を示す概略図である。 （２Ａ）〜（２Ｄ）は、従来のチャープパルス増幅装置のブロック図である。

符号の説明

１ レーザ発振器
２ パルス伸長器
３ 光増幅器
４ 半波長板
５ 回転機構
１０ パルス圧縮器
１１、１４、１５ 反射鏡
１２ 第１の回折格子
１３ 第２の回折格子
５０ アッテナータ
５１ 偏光子
５２ 偏光ビームスプリッタ
５５ 強度可変励起光源

Claims (3)

1. レーザパルスをチャープすることにより、パルス幅を伸長させるパルス伸長器と、
   前記パルス伸長器によりチャープされたレーザパルスが入射する位置に配置され、回折格子によって分光された各波長成分の光路長の差を利用してパルス幅の圧縮を行うパルス圧縮器と、
   前記パルス伸長器と前記パルス圧縮器との間に配置され、透過光が、偏光方向可変の直線偏光されたレーザパルスとなる偏光方向可変手段と、
   前記パルス伸長器と前記パルス圧縮器との間に配置された光増幅器と
   を有するチャープパルス増幅器。
2. 前記偏光方向可変手段が、
   前記パルス伸長器を通過したレーザビームが入射する位置に配置された半波長板と、
   前記半波長板を、レーザビームの偏光方向が変化するように回転させる回転機構と
   を含む請求項１に記載のチャープパルス増幅器。
3. （ａ）レーザパルスをチャープすることによって、パルス幅を伸長させる工程と、
   （ｂ）パルス幅が伸長されたレーザパルスを増幅する工程と、
   （ｃ）増幅されたレーザパルスを、回折格子によって分光された各波長成分の光路長の差を利用してパルス幅の圧縮を行うパルス圧縮器に入射させる工程と
   を有し、さらに、
   （ｄ）前記工程ａの後、前記工程ｃ前に、パルス幅が伸長されたレーザパルスの偏光方向を変化させる工程を含むチャープパルス増幅方法。

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