JP2008299155A - 高強度レーザーの高コントラスト化法 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の課題は、高強度レーザーにおいて極めて高いコントラストを効率よく簡便に生成させる方法を提供することにある。
【解決手段】
高強度レーザーの高コントラスト化法は、レーザー発振器又は前置増幅器等から出力されるシグナル光をシグナル光と同程度の短いパルス幅のポンプ光で励起されたＯＰＣＰＡで増幅することにより、極めて高いコントラストを得る。
【選択図】 図３

Description

本発明は、非線形光結晶中でポンプ光からシグナル光及びアイドラー光にエネルギーの移行が行われる光パラメトリックチャープパルス増幅（ＯＰＣＰＡ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｃｈｉｒｐｅｄ Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）を用いた高強度レーザーの高コントラスト化法に関するものである。本発明の高強度レーザーの高コントラスト化法は、レーザー発振器又は前置増幅器等から出力されるシグナル光をシグナル光と同程度の短いパルス幅のポンプ光で励起されるＯＰＣＰＡで増幅することにより、極めて高いコントラストの高強度のレーザー光を得るものである。

図１及び２に示されるように、βー硼酸バリウム（Ｂｅｔａ−Ｂａｒｉｕｍ Ｂｏｒａｔｅ）結晶等の非線形光学結晶３に、周波数ωｐ、波数ベクトルｋｐのポンプ光２を入射させると同時に、周波数ωｐ、波数ベクトルｋｓのシグナル光１を入射させると、周波数ωｉ、波数ベクトルｋｉのアイドラー光が発生する。アイドラー光とは、非線形光学結晶にポンプ光を照射すると、２つの波長の光の発振が生じ、発振する２つの波長の光のうち波長の短い方はシグナル光、長い方はアイドラー光と呼ばれる。このアイドラー光は本発明の場合捨てる光であるので、図示していない。

これらの間に下記の式が成立するとき、シグナル光及びアイドラー光はポンプ光によりエネルギーを得て増幅されることが知られている。これは、非線形光学結晶中で、ポンプ光からシグナル光及びアイドラー光へエネルギー移行が生じる光パラメトロック効果と呼ばれており、シグナル光にチャープパルス光を用いる場合は、特にＯＰＣＰＡ（光パラメトリックチャープパルス増幅）と呼ばれる。チャープパルス光とは、回折格子等を用いたパルス拡張器により、レーザー光にスペクトル分散を与えること（長い波長に対して短い波長側の光路を短くすること）により、時間的に引き延ばしたパルス光である。

レーザー発振器などから出力される微弱なシグナル光を光パラメトリックチャープパルス増幅器（ＯＰＣＰＡ）により増幅する場合には、一般に市販で広く使用されている１０ｎｓ程度と比較的長いパルス幅を有するポンプ光がOPCPAの励起光として用いられる。通常、シグナル光の時間幅は１ｎｓ以下であるため、図１に示すようにシグナル光１とポンプ光２との時間的な重なり合いが悪い。図２に示すようにシグナル光１はポンプ光２よりエネルギーを得て増幅され、高エネルギーパルス（メインパルス５）に成長する。しかし、シグナル光とポンプ光との時間的な重なり合いが悪いために、シグナル光と重なっていない部分において、不必要な背景光（プリパルス６）が増幅される。この構成により、ｎｓの時間領域にいて８桁程度のコントラストが得られている（プリパルスとメインパルスの強度比が８桁程度であることを意味する）。

近年の高強度レーザー発生技術の進展により、レーザー光の集光強度として１０^２０Ｗ／ｃｍ^２が実現されている。このため、１０桁以上のコントラストがないと高強度を有するメインパルスが物質と相互作用する前にターゲット材が破損し、且つ予備プラズマが形成されメインパルスと金属薄膜などの固体物質との相互作用が妨げられる。従って、この方法で得られるコントラストでは、不十分なものになっている。又、シグナル光と重なっていない部分のポンプ光は、メインパルスの増幅に寄与することはできずエネルギー変換効率が低いという欠点がある。

なお、公知文献としては、レーザー光のコントラストを向上させる方法とそのレーザー装置に関するもの（特許文献１）、レーザーパルス制御方法とその装置、及びＸ線発生方法とその装置に関するもの（特許文献２）、並びに光パルス圧縮方法とその装置に関するもの（特許文献３）があり、又、非特許文献としては、「光パラメトリックチャープパルス増幅の安定化」に関するもの（非特許文献１）があるが、これらの文献は、本発明のレーザー発振器又は前置増幅器等から出力されるシグナル光をシグナル光と同程度の短いパルス幅のポンプ光で励起するＯＰＣＰＡで増幅することにより、極めて高いコントラストの高強度のレーザー光を得るものではない。
特開２００６−２２９０７９ 特許２００３−２７０５５１ 特開２００２−６２５５３ 日本機械学会誌、２００６．１１ Ｖｏｌ．１０９ Ｎｏ．１０５６

本発明の課題は、高強度レーザーにおいて極めて高いコントラストを効率よく簡便に生成させる方法を提供することにある。
これに対し、上記文献１はレーザー光のコントラストを向上させる方法とそのレーザー装置に関するものであるが、メインパルスと背景光とのコントラストについてのものではなく、メインパルスとメインパルスの一つ前のパルスを比べたものであり、上記文献２はレーザーパルス制御方法とその装置、及びＸ線発生方法とその装置に関するもので、時間的な制御ではなく空間的な制御について記載されたものである。又上記文献３は光パルス圧縮方法とその装置に関するものであるが、光の増幅を用いてコントラストを向上させるのではなく、光の非線形な反射を用いてコントラストを向上させるものである。更に、上記文献４は光パラメトリックチャープパルス増幅の安定化に関するものであるが、コントラストを取り扱ったものではなく、安定化に特化したものである。

上記課題を解決するために、本発明の高強度レーザーの高コントラスト化法は、レーザー発振器又は前置増幅器等から出力されるシグナル光をシグナル光と同程度の短いパルス幅のポンプ光で励起されたＯＰＣＰＡで増幅することにより、極めて高いコントラストを得ることができることを特徴としている。

本発明においては、図５に示されるように、レーザー発振器、パルス拡張器、光パラメトリックチャープパルス増幅器、チタンサファイアレーザー増幅器及びパルス圧縮器からなる高強度レーザーの高コントラスト化装置が用いられる。レーザー発振器から出力されたシグナル光が、回折格子等を用いたパルス拡張器によりスペクトル分散された後に、短パルスポンプレーザー光で励起された光パラメトリックチャープパルス増幅器に導入され、そのメインパルスのみが増幅される。その後、チタンサファイアのレーザー増幅器で更に増幅され、パルス圧縮器でパルス圧縮され、高強度化された高コントラストのレーザーが取り出される。

本発明の装置においては、レーザー発振器からの出力光は非常に広いスペクトル幅（沢山の波長）を有しており、これをパルス拡張器に入射することで、スペクトルを分散すること（長波長側に対して短波長側の光路差を長くとること）により、時間的に引き延ばした光であるチャープパルス光が作り出される。広いスペクトル幅を有しているレーザー発振器からの出力光は、逆に非常に短い時間幅を有しているので、レーザーのピーク強度がエネルギー／時間で決まるために、この光を直接レーザー増幅器で増幅すると強度が高くなりすぎて、増幅の途中で光学素子が破損される。そこで、パルス拡張器でチャープパルス光を作り出し、時間的に長くパルス幅を引き延ばすことにより、ピーク強度を落とし、光学素子に損傷なく高いエネルギー状態まで増幅することができる。増幅後、パルス圧縮器でパルス拡張器と逆の分散を与えてやることにより、もとの非常に短いパルス幅まで戻される。パルス圧縮後は短いパルス幅で且つ高エネルギーであるので、極めて高いピーク強度のパルスが生成される。

本手法を用いることにより、効率よく簡便に高コントラストを得ることができる。この高いコントラストのシグナル光を多段レーザー増幅器の後段部増幅器に入力して更に増幅することにより、極めて高いコントラストでより高強度のレーザー光を実現できる。

本発明の高強度レーザーの高コントラスト化法について、図面を参照して説明する。図３は、本発明の実施形態にかかる例としてのＯＰＣＰＡにおけるシグナル光とポンプ光のエネルギー移行を示す図であり、図４は、従来方式で得られるコントラストと本発明で得られるコントラストとの比較を示す図である。

図３に示されるように、ＯＰＣＰＡ３に入射するポンプ光２とシグナル光１の時間幅を同じにすることにより、ポンプ光からシグナル光のみにエネルギーの移行を行い、プリパルスの増幅を抑えることで、極めて高いコントラストが達成できる。又、ポンプ光２は、シグナル光１のみにエネルギー移行されるので、少ないポンプ光エネルギーで高いシグナル光エネルギーを得ることができることにより、エネルギー効率の良い動作、及び装置構造の小型化が可能である。短いポンプ光で励起することにより、同じエネルギーでも強度を高く取ることができるので、ＯＰＣＰＡの相互作用長を短くすることができる。相互作用長が短くなるので、装置全体の小型化が可能であり、位相不整合量も最小化できるので、増幅できるシグナル光のスペクトル帯域も広くとることができる。

図４に示されるように、従来方式で得られるコントラスト（ａ）と本発明で得られるコントラスト（ｂ）とは、従来のコントラスト(ａ)においてプリパルス６が発生している点で相違している。

以下に実施例に基づいて本発明を説明する。図３に示されるように、シグナル光１には、一般的に広く用いられている発振中心波長８００ｎｍ、出力０．１ｎＪ、コントラスト８桁のチタンサファイアレーザー発振器から出力光、ＯＰＣＰＡ用の非線形光学結晶３にはＢＢＯ（Ｂｅｔａ―Ｂａｒｉｕｍ Ｂｏｒａｔｅ）結晶、ポンプ光には発振波長５３２ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザーの第二高調波光を用いた場合のコントラストを考える。従来例（図１及び図２）及び実施例のポンプ光のパルス幅はそれぞれ１０ｎｍ，２０ｐｓとする。ＯＰＣＰＡの増幅利得として典型的な８桁程度を考える。光パラメトリックチャープパルス増幅（ＯＰＣＰＡ）プロセスは次式で与えられる。

ここで、ｕ1，ｕ2，ｕ３はシグナル光、アイドラー光、ポンプ光の振幅、ｚは光の伝搬方向、Ｉ_１（０）、Ｉ_２（０），Ｉ_３（０）はｚ＝０における３波の初期強度、ω１、ω２、ω３は角速度、Δｋ＝ｋ３−ｋ２−ｋ１は３波の位相不整合量、βはポインティングベクトルのウォークオフ角、Фは初期位相である。ポインティングベクトルのウォークオフ角とは、非線形光学結晶の持つ複屈折性により、光が非線形結晶に垂直に入射したとき、異常光線が常光線のように直進せず、ある角度を持って斜め方向に伝搬するが、この角度をウォークオフ角と定義している。

表１に従来例と実施例におけるコントラストの計算結果を示す。表より、従来法を用いた場合のコントラストは１．１×１０^７で、本発明の方式を用いた場合は、５．４×１０^１５であると予測され、従来法よりも大幅にコントラストが向上し、本手法の有用性が示される結果が得られた。又、必要な結晶長も短くて済むので、装置の小型化と同時に広いスペクトル帯域の増幅が可能である。更にポンプ光からシグナル光に対する変換率も１桁以上と飛躍的に向上できることが予測される。

表１は、従来方式で得られるコントラスト、相互作用長、変換効率、及びスペクトル帯域と、本発明で得られるコントラスト、相互作用長、変換効率、及びスペクトル帯域との比較を示す表である。

従来例のＯＰＣＰＡを用いたシグナル光とポンプ光の時間的な位置関係を示す図である。 従来例のＯＰＣＰＡを用いたシグナル光とポンプ光のエネルギー移行を示す図である。 本発明の実施形態にかかる例としてのＯＰＣＰＡにおけるシグナル光とポンプ光のエネルギー移行を示す図である。 従来方式で得られるコントラスト（ａ）と本発明で得られるコントラスト（ｂ）を示す図である。 本発明の装置構成を示す図である。

符号の説明

１：シグナル光
２：ポンプ光
３：ＯＰＣＰＡ
４：不変換シグナル光
５：メインパルス
６：プリパルス

Claims (6)

1. レーザー発振器から出力されるレーザー光を、短いパルス幅のレーザー光で励起された光パラメトリックチャープパルス増幅器で増幅することにより、レーザー光の時間波形に存在する背景光であるプリパルスとメインパルスとの強度比であるコントラストが極めて高いレーザー光を得ることを特徴とする高強度レーザーの高コントラスト化法。
2. レーザー発振器から出力されるレーザー光がシグナル光であり、短いパルス幅のレーザー光がポンプ光である請求項１記載の高強度レーザーの高コントラスト化法。
3. ポンプ光が、希土類をドープした結晶、セラミックス、ガラス又はファイバーを半導体レーザー（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ−Ｄｉｏｄｅ）又はＬＤ励起固体レーザーで励起し、モード同期を掛けることによって時間的に短いパルス幅を有することを特徴とする請求項１記載の高強度レーザーの高コントラスト化法。
4. 光パラメトリックチャープパルス増幅器には、１つ又は複数個の非線形光学結晶を用い、増幅されるシグナル光は時間的に周波数が変化するチャープパルス光であることを特徴とする請求項１又は請求項３記載の高強度レーザーの高コントラスト化法。
5. 短いパルスのポンプ光で励起することにより、短い光パラメトリックチャープパルス増幅器の相互作用長で効率よく増幅することが可能であると同時に、短い相互作用長であるために広いスペクトル帯域の増幅を可能とすることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の高強度レーザーの高コントラスト化法。
6. レーザー発振器、パルス拡張器、レーザー増幅器及びパルス圧縮器で構成されるレーザーシステムにおいて、レーザー発振器から出力されるシグナル光を短いパルス幅のポンプ光で励起された光パラメトリックチャープパルス増幅器で選択的にメインパルスのみを増幅した後、短いパルス幅のポンプ光で励起された光パラメトリックチャープパルプ増幅器又は後段の別のチタンサファイアのレーザー増幅器に入力することで高強度化を可能とすることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の高強度レーザーの高コントラスト化法。

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