JP2011203648A - レーザ増幅装置及びレーザ増幅方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高品質なレーザ光を高出力で得ることができるレーザ増幅装置及びレーザ増幅方法を提供する。
【解決手段】 レーザ増幅装置１においては、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように、１つのシグナル光Ｌ_ｓに対して複数のポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎが非線形結晶体９に入射させられる。これにより、複数のポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎから１つのシグナル光Ｌ_ｓにエネルギが変換されて、当該シグナル光Ｌ_ｓが増幅されることになる。このとき、非線形結晶体９に入射する複数のポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎの位相が互いに同一でなくても、シグナル光Ｌ_ｓと各ポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎとのランダムな位相差はアイドラ光に移るので、１つのシグナル光Ｌ_ｓは、複数のポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎの位相情報の影響を受けずに増幅されることになる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、シグナル光をポンプ光で増幅するレーザ増幅装置及びレーザ増幅方法に関する。

近年の高出力レーザの進展には目覚ましいものがある。レーザ光は、空間位相が揃ったコヒーレント光であるため、レーザ光を収束させると、太陽光等のインコヒーレント光に比べて非常に高い集光輝度を得ることができる。このようなレーザ光の性質を利用して、産業界では、高出力レーザによるレーザ加工（切断、溶接、穴あけ、改質等）が普及し、理科学研究分野では、高密度物理研究（レーザ粒子加速、レーザによる宇宙物理の解明等）や、レーザ核融合の研究が進められている。

レーザ光の高出力化を実現するために、光パラメトリック増幅（ＯＰＡ：Optical Parametric Amplification）を利用することが考えられている。シグナル光及びポンプ光が位相整合条件を満たすように非線形結晶に入射させられると、ポンプ光からシグナル光にエネルギが変換されてシグナル光が増幅され、同時にアイドラ光が発生する。この過程が光パラメトリック増幅と呼ばれている。非特許文献１には、直列的に配置された複数の非線形結晶にシグナル光を順次入射させ、各非線形結晶において光パラメトリック増幅によりシグナル光を増幅するレーザ増幅装置が記載されている。

岡田大、他１０名、「光パラメトリックチャープパルス増幅システムにおける広スペクトル帯域光発生」、J. Plasma Fusion Res. Vol.85, No.6 (2009)、ｐ．３８４−３８８、社団法人 日本プラズマ・核融合学会、平成２１年６月２５日

しかしながら、非特許文献１に記載されたようなレーザ増幅装置にあっては、後段の非線形結晶ほど高強度のレーザ光が入射することになる。従って、後段の非線形結晶においてレーザ損傷（高強度のレーザ光の入射による損傷）の発生を防止する必要性があることから、非特許文献１に記載されたようなレーザ増幅装置では、レーザ光の高出力化に限界がある。

そこで、本発明は、高品質なレーザ光を高出力で得ることができるレーザ増幅装置及びレーザ増幅方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るレーザ増幅装置は、シグナル光をポンプ光で増幅するレーザ増幅装置であって、シグナル光を出力するシグナル光出力部と、ポンプ光を出力するポンプ光出力部と、シグナル光出力部から出力されたシグナル光、及びポンプ光出力部から出力されたポンプ光が入力され、シグナル光をポンプ光で増幅して出力する非線形結晶体と、を備え、非線形結晶体には、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように、１つのシグナル光に対して複数のポンプ光が入射させられる、ことを特徴とする。

また、本発明に係るレーザ増幅方法は、シグナル光をポンプ光で増幅するレーザ増幅方法であって、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように、１つのシグナル光に対して複数のポンプ光を非線形結晶体に入射させる、ことを特徴とする。

これらのレーザ増幅装置及びレーザ増幅方法においては、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように、１つのシグナル光に対して複数のポンプ光が非線形結晶体に入射させられる。これにより、複数のポンプ光から１つのシグナル光にエネルギが変換されて、当該シグナル光が増幅されることになる。このとき、非線形結晶体に入射する複数のポンプ光の位相が互いに同一でなくても、シグナル光と各ポンプ光とのランダムな位相差はアイドラ光に移るので、１つのシグナル光は、複数のポンプ光の位相情報の影響を受けずに増幅されることになる。つまり、複数のポンプ光によって１つのシグナル光がコヒーレント光として増幅されることになる。よって、これらのレーザ増幅装置及びレーザ増幅方法によれば、１つのシグナル光を高品質なレーザ光として高出力で得ることができる。

ここで、本発明に係るレーザ増幅装置は、非線形結晶体に入射させられる複数のポンプ光の強度を検出する光強度検出部と、光強度検出部によって検出された複数のポンプ光の強度が所定の関係となるように、ポンプ光出力部を制御する制御部と、を更に備えることが好ましい。この構成によれば、増幅後のシグナル光の強度分布に所定の関係を持たせることができる。

このとき、制御部は、光強度検出部によって検出された複数のポンプ光の強度が互いに均一となるように、ポンプ光出力部を制御することが好ましい。この構成によれば、増幅後のシグナル光の強度分布を均一化することができる。

また、非線形結晶体は、複数の非線形結晶部を有し、１つのシグナル光は、複数の非線形結晶部を含むように非線形結晶体に入射させられ、複数のポンプ光は、非線形結晶部ごとに非線形結晶体に入射させられることが好ましい。この構成によれば、非線形結晶部におけるレーザ損傷の発生が防止されるように各非線形結晶部に入射するポンプ光の強度を抑制しても、非線形結晶部の数を増加させることで、増幅後のシグナル光を高出力化することができる。

また、複数のポンプ光はそれぞれ所定の波長を有していてもよい。各ポンプ光は、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように非線形結晶体に入射させられるので、複数のポンプ光がそれぞれ所定の波長を有していても、１つのシグナル光をコヒーレント光として増幅させることができる。

本発明によれば、高品質なレーザ光を高出力で得ることができる。

本発明の一実施形態のレーザ増幅装置の構成図である。 図１の光強度検出部によって取得された画像を示す図である。 図１のレーザ増幅装置における光パラメトリック増幅の原理を示す概念図である。 図１のレーザ増幅装置における光パラメトリック増幅の原理を実証するための実験装置の構成図である。 図４の実験装置により得られたポンプ光の近視野像を示す図である。 図４の実験装置により得られたポンプ光の干渉パターン、ポンプ光の遠視野像、アイドラ光の遠視野像及びシグナル光の遠視野像を示す図である。 図４の実験装置により得られたポンプ光の干渉パターン、ポンプ光の遠視野像、アイドラ光の遠視野像及びシグナル光の遠視野像を示す図である。 図４の実験装置における増幅後のシグナル光の集光可能エネルギを示すグラフである。 本発明の他の実施形態のレーザ増幅装置の一部構成図である。 本発明の他の実施形態のレーザ増幅装置の一部構成図である。 本発明の他の実施形態のレーザ増幅装置の一部構成図である。 図１１のレーザ増幅装置の一部拡大図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示されるように、レーザ増幅装置１は、１つのレーザ光源（シグナル光出力部）２と、複数のレーザ光源（ポンプ光出力部）３_１〜３_ｎ（ｎ：２以上の整数）と、非線形結晶体９と、を備えている。レーザ光源２は、例えば波長１０５４ｎｍのシグナル光Ｌ_ｓを出力する。レーザ光源３_１〜３_ｎは、例えば波長５３２ｎｍのポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎをそれぞれ出力する。非線形結晶体９は、例えばタイプ１型ＢＢＯ（ベータホウ酸バリウム）結晶からなる。非線形結晶体９は、シグナル光Ｌ_ｓ及びポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎが入力されると、シグナル光Ｌ_ｓをポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎで増幅して出力する。このように、レーザ増幅装置１は、シグナル光Ｌ_ｓをポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎで増幅するものである。

レーザ光源２から出射されたシグナル光Ｌ_ｓは、波長板４及び偏光子５によって出力調整及び偏光制御が施されて直線偏光とされる。直線偏光とされたシグナル光Ｌ_ｓは、ビーム拡大／縮小レンズ系６によってビームサイズ（ビーム径）の調整が施される。ビームサイズの調整が施されたシグナル光Ｌ_ｓは、アパーチャ７によって所定の部分を切り抜かれ、その切り抜かれた像は、像転送用真空テレスコープ８によって非線形結晶体９上に転送される。これにより、回折効果に起因したビーム発散が抑制される。

各レーザ光源３_１〜３_ｎから出射されたポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎは、シグナル光Ｌ_ｓと同様に、波長板４、偏光子５、ビーム拡大／縮小レンズ系６、アパーチャ７及び像転送用真空テレスコープ８を伝播する。ただし、ポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎの偏光方向は、非線形結晶体９において光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすために、シグナル光Ｌ_ｓの偏光方向と直交するように調整される。ポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎは、非線形結晶体９の光入射面においてマトリックス状に配列されるようにミラー１１によって反射され、更にダイクロイックミラー１２によって非線形結晶体９側へ反射される。なお、シグナル光Ｌ_ｓは、ダイクロイックミラー１２を非線形結晶体９側へ透過する。

非線形結晶体９には、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように、１つのシグナル光Ｌ_ｓに対して複数のポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎが入射させられる。すなわち、タイプ１型ＢＢＯ結晶からなる非線形結晶体９に、波長１０５４ｎｍのシグナル光Ｌ_ｓ及び波長５３２ｎｍのポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎを入射させる場合、非線形結晶体９での屈折率が等しくなるように結晶切出し角度（非線形結晶体９の結晶軸とレーザ光（シグナル光Ｌ_ｓ、ポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎ）の伝搬方向とのなす角）を２２．８°とする。そして、ポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎの偏光方向を、非線形結晶体９の結晶軸とレーザ光の伝搬方向とがなす面方向（異常光線面方向、ｅ軸方向）とし、シグナル光Ｌ_ｓの偏光方向を、ｅ軸方向と直交する方向（通常光線面方向、Ｏ軸方向）とする。

このとき、非線形結晶体９は、回転及びあおり調整機構を有するステージ１３上に設置されているので、シグナル光Ｌ_ｓ及びポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎに対する非線形結晶体９の角度は、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように高精度で微調整される。これにより、非線形結晶体９では、ポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎからシグナル光Ｌ_ｓにエネルギが変換されてシグナル光Ｌ_ｓが増幅され、増幅されたシグナル光Ｌ_ｓが非線形結晶体９から出射される。これと同時に、非線形結晶体９ではアイドラ光が発生するが、シグナル光Ｌ_ｓとポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎとが数度の角度をなして伝搬するようにダイクロイックミラー１２によって調整されるので、発生したアイドラ光は容易に取り除かれる。

非線形結晶体９から出射されたシグナル光Ｌ_ｓは、干渉フィルタ１４を透過して外部へ出射される。一方、エネルギ変換に使われなかったポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎは、非線形結晶体９を通過した後、干渉フィルタ１４によって遮断される。なお、エネルギ変換に使われなかったポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎを、他の非線形結晶体９においてポンプ光として再利用してもよい。

レーザ増幅装置１は、制御部１５と、光強度検出部１６と、を更に備えている。制御部１５は、例えば電気回路によるディレイ回路によって、シグナル光Ｌ_ｓ及びポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎが非線形結晶体９に同時に到達するように、レーザ光源２及びレーザ光源３_１〜３_ｎの出射タイミングを制御する。これにより、非線形結晶体９で最大の増幅利得が得られる。

光強度検出部１６は、非線形結晶体９に入射させられる複数のポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎの強度を検出する。光強度検出部１６は、ポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎの波長に合わせられたアクロマートレンズ（色消しレンズ）１７、及びＣＣＤカメラ１８を有している。これにより、光強度検出部１６は、図２に示されるように、非線形結晶体９の光入射面においてマトリックス状に配列されたポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎの強度分布を示す画像を取得する。

光強度検出部１６は、取得した画像を制御部１５に送信する。制御部１５は、受信した当該画像に基づいて、非線形結晶体９の光入射面においてマトリックス状に配列されたポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎの強度が互いに均一となるように、レーザ光源３_１〜３_ｎをフィードバック制御する。これにより、非線形結晶体９の光入射面において互いに異なる位置にポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎが入射させられても、ポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎの入射位置に起因した利得のばらつきが抑制される。なお。ポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎの出力制御は、例えば、レーザ光源３_１〜３_ｎの励起光源（半導体レーザやフラッシュランプ等）の出力を調整することによって行われる。

ここで、上述したレーザ増幅装置１における光パラメトリック増幅の原理について説明する。

図３に示されるように、非線形結晶体９には、シグナル光Ｌ_ｓ及びポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎが入力され、非線形結晶体９からは、ポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎで増幅されたシグナル光Ｌ_ｓ、及びアイドラ光Ｌ_ｉ１〜Ｌ_ｉｎが出力される。なお、シグナル光Ｌ_ｓ、ポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎ及びアイドラ光Ｌ_ｉ１〜Ｌ_ｉｎは、非線形結晶体９の光入射面９ａ及び光出射面９ｂにおいて重なり合うが、図３では便宜上、別々に示している。

シグナル光Ｌ_ｓ、ポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎ及びアイドラ光Ｌ_ｉ１〜Ｌ_ｉｎの波長をそれぞれλ_ｓ，λ_ｐ，λ_ｉとすると、光パラメトリック増幅の位相整合条件が満たされているので、波長λ_ｓ，λ_ｐ，λ_ｉ間には次式（１）の関係が成立する（２π／λ_ｐ，２π／λ_ｓ，２π／λ_ｉ：波数ベクトル）。これにより、シグナル光Ｌ_ｓの波長λ_ｓが１０５４ｎｍであり、かつポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎの波長λ_ｐが５３２ｎｍであれば、アイドラ光Ｌ_ｉ１〜Ｌ_ｉｎの波長λ_ｉは１０７４ｎｍとなる。
２π／λ_ｐ＝２π／λ_ｓ＋２π／λ_ｉ…（１）

また、シグナル光Ｌ_ｓ、ポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎ及びアイドラ光Ｌ_ｉ１〜Ｌ_ｉｎの位相をそれぞれφ_ｓ，φ_ｐｊ，φ_ｉｊとすると（ｊ：１〜ｎ）、光パラメトリック増幅の位相整合条件が満たされているので、位相φ_ｓ，φ_ｐｊ，φ_ｉｊ間には次式（２）の関係が成立する。
φ_ｐｊ−φ_ｓ−φ_ｉｊ＝π／２…（２）

ここで、特徴的なのは、非線形結晶体９に入射する複数のポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎの位相φ_ｐｊが互いに同一でなくても、シグナル光Ｌ_ｓと各ポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎとのランダムな位相差はアイドラ光Ｌ_ｉ１〜Ｌ_ｉｎに移り、１つのシグナル光Ｌ_ｓは、複数のポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎの位相情報の影響を受けずに増幅されることである。これは、ランダムな位相を有する複数のレーザ光（ポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎ）から、均一位相を有する１つのレーザ光（シグナル光Ｌ_ｓ）に、コヒーレント結合することと同じことを意味する。

上述した光パラメトリック増幅の原理を実証するために実験を行った。この実験では、ポンプ光を２ビームに分割した場合及びポンプ光を多ビームアレイに分割した場合のそれぞれの場合において、増幅後のシグナル光、及び光パラメトリック増幅で発生したアイドラ光のビーム特性を評価した。

実験装置は、図４に示されるとおりである。シグナル光用のレーザ光源２としては、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ（波長１０５３ｎｍ、パルス幅２０ｎｓ、繰り返し率１０Ｈｚ）を用いた。また、ポンプ光用のレーザ光源３としては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波（波長５３２ｎｍ、パルス幅５ｎｓ、繰り返し率１０Ｈｚ）を用いた。

そして、レーザ光源３から出射されたポンプ光には、波長板４及び偏光子５によって出力調整及び偏光制御を施し、ビーム拡大／縮小レンズ系６によってビーム径の調整を施した。その後段において、ポンプ光を２ビームに分割する場合には、プリズム対２１，２２を用い、２ビーム間の位相差を調整するために位相調整用プリズム２３を用いた。一方、ポンプ光をランダム位相の多ビームアレイに分割する場合には、ランダム位相板２４を用いた。

そして、２ビーム化或いは多ビーム化されたポンプ光を、アパーチャ７に通過させた後、像転送用真空テレスコープ８によって非線形結晶体９上に転送した。非線形結晶体９としては、ＢＢＯ（ベータホウ酸バリウム）結晶を用いた。

また、レーザ光源２から出射されたシグナル光には、波長板４及びグランレーザプリズム２５によって出力調整及び偏光制御を施し、そのシグナル光を像転送用真空テレスコープ８によって非線形結晶体９上に転送した。なお、ポンプ光とシグナル光とを約同軸上にアライメントするためにダイクロイックミラー１２を用いた。

図５（ａ）は、図４に示された実験装置によって２ビーム化されたポンプ光の近視野像である。一方、図５（ｂ）は、図４に示された実験装置によって多ビーム化されたポンプ光の近視野像である。

続いて、マッハツェンダー干渉計を用いて、２ビーム化されたポンプ光の干渉パターンを測定すると共に、その場合におけるポンプ光の遠視野像、増幅後のシグナル光の遠視野像、及び光パラメトリック増幅で発生したアイドラ光の遠視野像を測定した。測定結果は、図６に示されるとおりである。位相調整用プリズム２３によって、２ビーム間の位相差を０rad，π／２rad，πrad，３π／２rad，２πradと変化させた。

図６（ａ），（ｅ）に示されるように、ポンプ光において２ビーム間の位相差を０rad，２πradとした場合には、ポンプ光の遠視野像の集光パターンはシングルスポットとなり、アイドラ光及びシグナル光の遠視野像の集光パターンも同様にシングルスポットとなった。図６（ｂ），（ｄ）に示されるように、ポンプ光において２ビーム間の位相差をπ／２rad，３π／２radとした場合には、ポンプ光の遠視野像の集光パターンは干渉によって２つに分かれた。このとき、アイドラ光の遠視野像の集光パターンも２つに分かれたが、シグナルの遠視野像の集光パターンはシングルスポットとなった。図６（ｃ）に示されるように、ポンプ光において２ビーム間の位相差をπradとした場合にも、同様の結果が得られた。

このように、ポンプ光における２ビーム間の位相差にかかわらず、増幅後のシグナル光の遠視野像の集光パターンはシングルスポットで変わらなかった。このことから、２ビーム化されたポンプ光の位相情報はアイドラ光に移り、シグナル光は、２ビーム化されたポンプ光の位相情報の影響を受けずに増幅されることが実証された。

一方、マッハツェンダー干渉計を用いて、多ビーム化されたポンプ光の干渉パターンを測定すると共に、その場合におけるポンプ光の遠視野像、増幅後のシグナル光の遠視野像、及び光パラメトリック増幅で発生したアイドラ光の遠視野像を測定した。測定結果は、図７に示されるとおりである。

図７に示されるように、ランダム位相板２４によって多ビーム化されたポンプ光の遠視野像の集光パターンは干渉によってスペックルパターンとなった。このとき、アイドラ光の遠視野像の集光パターンもスペックルパターンとなったが、シグナルの遠視野像の集光パターンはシングルスポットとなった。

このように、ポンプ光における多ビーム間の位相差にかかわらず、増幅後のシグナル光の遠視野像の集光パターンはシングルスポットとなった。このことから、多ビーム化されたポンプ光の位相情報はアイドラ光に移り、シグナル光は、多ビーム化されたポンプ光の位相情報の影響を受けずに増幅されることが実証された。

次に、増幅後のシグナル光のビーム品質がポンプ光の数及び位相の影響を受けないことを定量的に評価するために、シグナル光の集光可能エネルギを測定した。その測定結果は、図８のとおりである。

図８のグラフでは、Ｆナンバ（集光レンズの焦点距離ｆ／ビーム径Ｄ）と波長λとの積で表わされる直径を横軸とし、その直径を有するアパーチャを通過した出力を規格化したものを縦軸とした。そして、２ビーム化されたポンプ光（位相差あり）によって増幅されたシグナル光（実施例１）、多ビーム化されたポンプ光（位相差あり）によって増幅されたシグナル光（実施例２）、増幅前のシグナル光（比較例）について評価を行った。

回折効果によって集光可能な直径には限界があり、空間ビームプロファイルがガウス型の場合、回折限界ビーム直径は２．４Ｆλである。図８に示されるように、実施例１，２では、比較例と同様に、回折限界ビーム直径においてシグナル光の集光特性が８０％以上となった。

以上の実験により、位相のそろっていない複数のポンプ光から、位相のそろった均一波面のシグナル光が得られることが確認された。これにより、ランダムな位相を有する複数のレーザ光（ポンプ光）から、均一位相を有する１つのレーザ光（シグナル）に、コヒーレント結合することが実証された。

以上説明したように、レーザ増幅装置１（及び当該装置１で実施されるレーザ増幅方法）においては、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように、１つのシグナル光Ｌ_ｓに対して複数のポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎが非線形結晶体９に入射させられる。これにより、複数のポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎから１つのシグナル光Ｌ_ｓにエネルギが変換されて、当該シグナル光Ｌ_ｓが増幅されることになる。このとき、非線形結晶体９に入射する複数のポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎの位相が互いに同一でなくても、シグナル光Ｌ_ｓと各ポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎとのランダムな位相差はアイドラ光Ｌ_ｉ１〜Ｌ_ｉｎに移るので、１つのシグナル光Ｌ_ｓは、複数のポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎの位相情報の影響を受けずに増幅されることになる。つまり、複数のポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎによって１つのシグナル光Ｌ_ｓがコヒーレント光として増幅されることになる。よって、レーザ増幅装置１（及び当該装置１で実施されるレーザ増幅方法）によれば、非線形結晶体９におけるレーザ損傷の発生が防止されるように複数のポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎを分散させて、１つのシグナル光Ｌ_ｓを高品質なレーザ光として高出力で得ることができる。

また、レーザ増幅装置１においては、非線形結晶体９に入射させられる複数のポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎの強度が光強度検出部１６によって検出され、光強度検出部１６によって検出された複数のポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎの強度が互いに均一となるように、制御部１５によってレーザ光源３_１〜３_ｎが制御される。これにより、非線形結晶体９の光入射面において互いに異なる位置にポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎが入射させられても、ポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎの入射位置に起因した利得のばらつきが抑制されることになるので、増幅後のシグナル光Ｌ_ｓの強度分布を均一化することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施形態では、電気回路によるディレイ回路によって、シグナル光Ｌ_ｓ及びポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎが非線形結晶体９に同時に到達するように、レーザ光源２及びレーザ光源３_１〜３_ｎの出射タイミングが制御されたが、より高い精度が必要な場合には、レーザ増幅装置１を次のように構成してもよい。

すなわち、図９に示されるように、共通のレーザ光源２６が用いられて、当該レーザ光源２６から出射されたレーザ光は、シグナル光Ｌ_ｓ用の種光と各ポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎ用の種光とに分岐させられる。シグナル光Ｌ_ｓ用の種光は、そのままシグナル光Ｌ_ｓとして用いられてもよいが、中空ファイバ２７中の伝搬による非線形効果を利用してスペクトル帯域の広帯域化を行った後に用いてもよい。シグナル光Ｌ_ｓの広帯域化を行うことで、より短いパルス幅を得ることができ、延いては、より高い強度の出力を得ることができる。ここでは、レーザ光源２６及び中空ファイバ２７によってシグナル光出力部が構成されている。

一方、各ポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎ用の種光は、レーザ増幅器２８によって増幅された後に、ＫＤＰ（リン酸二水素カリウム）結晶やＤＫＤＰ（部分重水素置換ＫＤＰ）結晶等からなる波長変換用の非線形結晶体２９によって所望の波長へ変換される。例えば、波長１０５４ｎｍの第二高調波である波長５２７ｎｍのポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎが得られる。ここでは、レーザ光源２６、レーザ増幅器２８及び非線形結晶体２９によってポンプ光出力部が構成されている。

中空ファイバ２７から出射されたシグナル光Ｌ_ｓ、及び各非線形結晶体２９から出射されたポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎは、光パラメトリック増幅用の非線形結晶体９に伝搬される。なお、レーザ光源２６と中空ファイバ２７との間にはミラー１１が配置されている。これにより、シグナル光Ｌ_ｓ及びポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎが非線形結晶体９に同時に到達するように、シグナル光Ｌ_ｓ側の光路長の調整が行われる。

また、図１０に示されるように、非線形結晶体９は、複数の非線形結晶部１０を有していてもよい。ここでは、光軸ＯＡと直交する面に沿って、複数の非線形結晶部１０がマトリックス状に配置されている。各非線形結晶部１０は、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たす角度でカッティングされている。この場合、複数のポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎは、光軸ＯＡに沿って、非線形結晶部１０ごとに（或いは複数の非線形結晶部１０のまとまりごとに）非線形結晶体９に入射させられる。このとき、１つのシグナル光Ｌ_ｓは、光軸ＯＡに沿って、複数のポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎが入射させられた複数の非線形結晶部１０を含むように非線形結晶体９に入射させられる。

このような構成によれば、非線形結晶部１０におけるレーザ損傷の発生が防止されるように各非線形結晶部１０に入射するポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎの強度を抑制しても、非線形結晶部１０の数を増加させることで、増幅後のシグナル光Ｌ_ｓを高出力化することができる。そして、シグナル光Ｌ_ｓのビームサイズが大きくなるほど小さいスポットに集光することができるので、より高い集光輝度を得ることができる。

また、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように非線形結晶体９に入射させられれば、複数のポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎはそれぞれ所定の波長を有していてもよい。一例として、図１１，１２に示されるように、波長５００ｎｍのポンプ光Ｌ_ｐ１、波長６５０ｎｍのポンプ光Ｌ_ｐ２及び波長５３２ｎｍのポンプ光Ｌ_ｐ３が、タイプ１型ＢＢＯ結晶からなる非線形結晶体９に入射させられる場合、ポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐ３は、波長１０５４ｎｍのシグナル光Ｌ_ｓに対して位相整合条件を満たす必要がある。そのためには、各ポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐ３の位相整合角（非線形結晶体９の結晶軸ＣＡとレーザ光（ポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐ３）の伝搬方向とのなす角）は、それぞれ２３．６°，２０．３°，２２．８°となる。各ポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐ３は、ミラー１１によって光路が調整されて、非線形結晶体９中で交差する。

このような構成によれば、各ポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎが、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように非線形結晶体９に入射させられるので、複数のポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎがそれぞれ所定の波長を有していても、１つのシグナル光Ｌ_ｓをコヒーレント光として増幅させることができる。

また、上記実施形態では、光強度検出部１６によって検出された複数のポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎの強度が互いに均一となるように、制御部１５がレーザ光源３_１〜３_ｎを制御したが、これに限定されない。制御部１５は、光強度検出部１６によって検出された複数のポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎの強度が所定の関係となるように、レーザ光源３_１〜３_ｎを制御してもよい。このような構成によれば、増幅後のシグナル光Ｌ_ｓの強度分布に所定の関係を持たせることができる。

また、非線形結晶体９は、ＢＢＯ結晶からなるものに限定されず、ＫＤＰ結晶やＤＫＤＰ等、その他の非線形結晶からなるものであってもよい。更に、非線形結晶体９の光入射面に入射させられるシグナル光Ｌ_ｓ及びポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎの断面形状は、矩形状に限定されず、円形状等、その他の形状であってもよく、隣り合うポンプ光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎ同士の一部が非線形結晶体９の光入射面上で重畳してもよい。

１…レーザ増幅装置、２…レーザ光源（シグナル光出力部）、３，３_１〜３_ｎ…レーザ光源（ポンプ光出力部）、９…非線形結晶体、１０…非線形結晶部、１５…制御部、１６…光強度検出部、２６…レーザ光源（シグナル光出力部、ポンプ光出力部）、２７…中空ファイバ（シグナル光出力部）、２８…レーザ増幅器（ポンプ光出力部）、２９…非線形結晶体（ポンプ光出力部）、Ｌ_ｓ…シグナル光、Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐｎ…ポンプ光、Ｌ_ｉ１〜Ｌ_ｉｎ…アイドラ光。

Claims (6)

1. シグナル光をポンプ光で増幅するレーザ増幅装置であって、
   前記シグナル光を出力するシグナル光出力部と、
   前記ポンプ光を出力するポンプ光出力部と、
   前記シグナル光出力部から出力された前記シグナル光、及び前記ポンプ光出力部から出力された前記ポンプ光が入力され、前記シグナル光を前記ポンプ光で増幅して出力する非線形結晶体と、を備え、
   前記非線形結晶体には、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように、１つの前記シグナル光に対して複数の前記ポンプ光が入射させられる、ことを特徴とするレーザ増幅装置。
2. 前記非線形結晶体に入射させられる複数の前記ポンプ光の強度を検出する光強度検出部と、
   前記光強度検出部によって検出された複数の前記ポンプ光の強度が所定の関係となるように、前記ポンプ光出力部を制御する制御部と、を更に備える、ことを特徴とする請求項１記載のレーザ増幅装置。
3. 前記制御部は、前記光強度検出部によって検出された複数の前記ポンプ光の強度が互いに均一となるように、前記ポンプ光出力部を制御する、ことを特徴とする請求項２記載のレーザ増幅装置。
4. 前記非線形結晶体は、複数の非線形結晶部を有し、
   １つの前記シグナル光は、複数の前記非線形結晶部を含むように前記非線形結晶体に入射させられ、複数の前記ポンプ光は、前記非線形結晶部ごとに前記非線形結晶体に入射させられる、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のレーザ増幅装置。
5. 複数の前記ポンプ光はそれぞれ所定の波長を有する、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のレーザ増幅装置。
6. シグナル光をポンプ光で増幅するレーザ増幅方法であって、
   光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように、１つの前記シグナル光に対して複数の前記ポンプ光を非線形結晶体に入射させる、ことを特徴とするレーザ増幅方法。