JP2015125250A

JP2015125250A - Laser device

Info

Publication number: JP2015125250A
Application number: JP2013269085A
Authority: JP
Inventors: 考一山川; Koichi Yamakawa; 温赤羽; Atsushi Akabane
Original assignee: Japan Atomic Energy Agency
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2013-12-26
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2015-07-06
Anticipated expiration: 2033-12-26
Also published as: JP6341596B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To downsize a laser device that oscillates ultra-short pulse laser light using chirped pulse amplification.SOLUTION: Instead of individually including a pulse expander and pulse compressor, a laser device 10 according to the present invention includes a single pulse expander-compressor 12. Further, as an amplifier, an OPA (Optical Parametric Amplifier) 13 is used, and instead of amplified signal light (3) in an output of the amplifier, idler light (4) is used. In the pulse expander-compressor 12, a first incidence/emerging surface 121 and second incidence/emerging surface 122 are respectively formed at upper/lower locations subjected to chamfering processing. In the pulse expander-compressor 12, pulse laser light (1) and the idler light (4) undergo a multiple reflection upon an inner surface of the pulse expander-compressor 12 between the first incidence/emerging surface 121 and second incidence/emerging surface 122, thereby the pulse laser light (1) and the idler light (4) are chirped (pulse expansion/compression).

Description

本発明は、レーザー光源から発した超短パルスレーザーを増幅し、高強度の超短パルスレーザーを出力するレーザー装置の構成に関する。 The present invention relates to a configuration of a laser apparatus that amplifies an ultrashort pulse laser emitted from a laser light source and outputs a high-intensity ultrashort pulse laser.

レーザー光は、計測や加工等、様々な分野で広く用いられているが、その中でも、短い時間で高強度のレーザー光をパルス状に発振するパルスレーザーは、様々な分野で使用されている。特にこうしたパルスレーザーの中でも、数十フェムト秒（ｆｓ：１ｆｓ＝１０^−１５ｓ）程度以下と極端に短いパルス幅（発振時間）内でそのパワーを集中的に発する超短パルスレーザー光が近年得られるようになった。例えばレーザー加工においては、こうした超短パルスレーザー光を用いることにより、極端に短い時間内においてのみ局所的に試料に強い熱的効果を与えるため、試料全体における温度の上昇を起こさずに精密な加工ができる。従って、超短パルスレーザー光は、極めて有効である。 Laser light is widely used in various fields such as measurement and processing. Among them, pulse lasers that oscillate high-intensity laser light in a short time in a short time are used in various fields. Among such pulse lasers, in particular, ultra-short pulse laser light that intensively emits its power within an extremely short pulse width (oscillation time) of about tens of femtoseconds (fs: 1 fs = 10 ⁻¹⁵ s) or less has recently been obtained. It came to be able to. For example, in laser processing, by using such an ultrashort pulse laser beam, a strong thermal effect is locally applied to the sample only within an extremely short time, so that precise processing is performed without causing a temperature rise in the entire sample. Can do. Therefore, ultrashort pulse laser light is extremely effective.

高強度のパルスレーザー光を得るためには、レーザー光源が発振した超短パルスレーザー光を、増幅媒質で構成されたレーザー増幅器中で増幅し、高強度とすることが必要になる。しかしながら、広く用いられている安価なＣＯ_２レーザーやＹＡＧレーザー等とは異なり、こうした超短パルスレーザーにおいては、上記のパルス幅内におけるレーザー光のピーク強度を極めて高くする必要がある。こうした場合、ピーク強度が高すぎて、レーザー増幅器にこのパルスレーザー光を入射させても正常な増幅が行われない、あるいは増幅媒質が損傷するという問題が発生する。このため、超短パルス幅で高いピーク強度をもつパルスレーザー光を得るためには特別な工夫が必要となり、例えば特許文献１に記載されるＣＰＡ（ＣｈｉｒｐｅｄＰｕｌｓｅＡｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法という手法が用いられている。ＣＰＡ法においては、入射したパルスレーザー光のパルスをチャープする（光学材料の分散特性を利用してパルス幅を制御する）技術が用いられ、これによってレーザー増幅器で適切な増幅が行えるようなピーク強度とされた後に増幅が行われる。 In order to obtain a high-intensity pulsed laser beam, it is necessary to amplify the ultrashort pulsed laser beam oscillated by the laser light source in a laser amplifier composed of an amplification medium to obtain a high intensity. However, unlike the widely used inexpensive CO ₂ laser, YAG laser, and the like, in such an ultrashort pulse laser, it is necessary to extremely increase the peak intensity of the laser beam within the above pulse width. In such a case, there is a problem that the peak intensity is too high and normal amplification is not performed even if this pulse laser beam is incident on the laser amplifier, or the amplification medium is damaged. For this reason, in order to obtain a pulsed laser beam having an ultrashort pulse width and a high peak intensity, a special device is required. For example, a technique called a CPA (Chirped Pulse Amplification) method described in Patent Document 1 is used. . In the CPA method, a technique of chirping the pulse of incident pulsed laser light (controlling the pulse width using the dispersion characteristics of the optical material) is used, so that the peak intensity can be appropriately amplified by the laser amplifier. After that, amplification is performed.

図８は、ＣＰＡ法を用いてパルスレーザー光を増幅するレーザー装置の構成及び原理を示す図である。ここで、図８上は、このレーザー装置の構成を示し、図８下の表は、図８上に示された各構成要素を通過後（図中（１１）〜（１４）で表示）のパルスレーザー光のパルス波形（横軸：時間）を単純化して示す。ここで発振されるパルスレーザー光の波長は、広がりをもつ。図８下の表の上段においては、このパルスレーザー光の出力エネルギーを縦軸とし、下段においては、３種類の波長（λ）毎に見たこの出力を縦軸として示している。従って、この表の上段における出力は、下段における波長毎の出力を波長について積分したものとなる。なお、この波長については、下側で短く、上側で長い３種類について模式的に示しているが、実際にはパルスレーザー光は連続的なスペクトルをもつ。 FIG. 8 is a diagram showing the configuration and principle of a laser apparatus that amplifies pulsed laser light using the CPA method. Here, the upper part of FIG. 8 shows the configuration of this laser apparatus, and the table at the lower part of FIG. 8 shows the components after passing through the constituent elements shown in FIG. 8 (indicated by (11) to (14) in the figure). The pulse waveform (horizontal axis: time) of the pulse laser beam is shown in a simplified manner. The wavelength of the pulsed laser light oscillated here has a broadening. In the upper part of the table in the lower part of FIG. 8, the output energy of the pulse laser beam is indicated on the vertical axis, and in the lower part, this output viewed for each of three types of wavelengths (λ) is indicated on the vertical axis. Therefore, the output in the upper part of this table is obtained by integrating the output for each wavelength in the lower part with respect to the wavelength. In addition, about this wavelength, although it has shown typically about three types with short on the lower side and long on the upper side, a pulse laser beam has a continuous spectrum in fact.

このレーザー装置においては、まず、レーザー発振器９１が、図８に示される形状の増幅前のパルスレーザー光（１１）を発振する。このパルスレーザー光を波長λ毎に見ても、その発振波形は図８中の（１１）に示されるように、その上段の波形と下段の３種類の波形はいずれも相似形である。すなわち、パルスの立ち上がり、立ち下がりタイミングは同一である。 In this laser apparatus, first, the laser oscillator 91 oscillates the pulse laser beam (11) before amplification having the shape shown in FIG. Even when this pulsed laser beam is viewed for each wavelength λ, the oscillation waveform thereof is shown by (11) in FIG. 8, and the upper waveform and the lower waveform are all similar. That is, the rise and fall timings of the pulse are the same.

このパルスレーザー光がパルス伸張器９２に入射する。パルス伸張器９２は、例えば屈折率に正の分散特性を有する光学材料で構成され、短波長側では長波長側よりも大きな屈折率を有する。従って、短波長側では光の伝搬速度が低下するため、パルス伸張器９２を通過後の出力（１２）においては、短波長側でのパルスの到着は長波長側よりも遅れ、いわゆる正にチャープされた状態となる（図８中の表（１２）下段）。従って、これを通過後のパルスレーザー光の出力（図８中の表（１２）上段）のパルス幅は、通過前と比べて広くなる。また、パルス伸張器９２中における吸収が無視できれば、単一のパルスで放射される全エネルギーは変わらない。このため、このパルスレーザー光のピーク強度はこれに応じて低くなる。すなわち、このパルス伸張器９２を通過後には、パルスレーザー光のパルス幅が長くなり、ピーク強度が低くなる。 This pulse laser beam is incident on the pulse stretcher 92. The pulse stretcher 92 is made of, for example, an optical material having a positive dispersion characteristic in the refractive index, and has a larger refractive index on the short wavelength side than on the long wavelength side. Therefore, since the light propagation speed is reduced on the short wavelength side, the arrival of the pulse on the short wavelength side is delayed from the long wavelength side in the output (12) after passing through the pulse stretcher 92, so-called chirping is performed. (The lower part of Table (12) in FIG. 8). Therefore, the pulse width of the output of the pulse laser light after passing through this (the upper stage of Table (12) in FIG. 8) becomes wider than before the passage. Also, if the absorption in the pulse stretcher 92 is negligible, the total energy emitted in a single pulse will not change. For this reason, the peak intensity of the pulse laser light is lowered accordingly. That is, after passing through the pulse stretcher 92, the pulse width of the pulse laser beam becomes longer and the peak intensity becomes lower.

このパルスレーザー光は、増幅媒質で構成されたレーザー増幅器９３に入射し、ここで増幅される。ここで入射するパルスレーザー光においては、レーザー発振器９１から発振直後と比べてピーク強度が低下しているため、増幅媒質の損傷を発生させずに、適正に増幅を行うことができる。従って、図８中の表（１３）に示されるように、レーザー増幅器９３に入射前の波形を忠実に保ち、ピーク強度が増大したパルスレーザー光が得られる。この増幅は波長によらずに一様に行われるため、増幅されたパルス形状は、波長に関する積分値（上段）においても、波長毎の出力（下段）についても同様である。 This pulsed laser light enters a laser amplifier 93 composed of an amplification medium and is amplified here. The incident pulsed laser light has a peak intensity lower than that immediately after oscillation from the laser oscillator 91, so that it can be appropriately amplified without causing damage to the amplification medium. Therefore, as shown in Table (13) in FIG. 8, a pulse laser beam having a peak intensity increased while keeping the waveform before incidence in the laser amplifier 93 faithfully is obtained. Since this amplification is performed uniformly regardless of the wavelength, the amplified pulse shape is the same for the integrated value (upper) of the wavelength and the output for each wavelength (lower).

次に、増幅されたパルスレーザー光は、パルス圧縮器９４に入射する。パルス圧縮器９４も屈折率に分散特性を有する光学材料で構成されるが、その特性はパルス伸張器９２と逆、すなわち、長波長側で短波長側よりも大きな屈折率（負の分散特性）を有する。従って、これを通過後には、長波長側でのパルスの到着は、短波長側よりも遅れ、入射光を、前記と逆のいわゆる負にチャープされた状態とすることができる。従って、このパルス圧縮器９４に正にチャープされたパルスレーザー光を通過させれば、パルス伸張器９２で発生したパルス遅延を補償することができ、図８中の表（１４）下段に示されるように、各波長毎のパルス発振タイミングを再び統一させることができる。この積分結果が図８中の表（１４）上段に示す波形である。すなわち、パルス幅は再び短くなり、増幅前のパルスレーザー光（１１）と等しくなっている。この際、各波長毎に増幅された出力（図８中の表（１４）下段）は同一タイミングで出力されるため、そのピーク強度は高くなる。すなわち、増幅前のパルスレーザー光（１１）と同じ超短パルス幅で高いピーク強度をもつパルスレーザー光（１４）が出力される。 Next, the amplified pulsed laser light is incident on the pulse compressor 94. The pulse compressor 94 is also composed of an optical material having a dispersion characteristic in the refractive index, but the characteristic is opposite to that of the pulse stretcher 92, that is, the refractive index (negative dispersion characteristic) larger on the long wavelength side than on the short wavelength side. Have Therefore, after passing through this, the arrival of the pulse on the long wavelength side is delayed from that on the short wavelength side, and the incident light can be brought into a negatively chirped state opposite to the above. Therefore, if the pulse laser beam positively chirped is passed through the pulse compressor 94, the pulse delay generated by the pulse stretcher 92 can be compensated, and is shown in the lower part of Table (14) in FIG. Thus, the pulse oscillation timing for each wavelength can be unified again. This integration result is the waveform shown in the upper part of Table (14) in FIG. That is, the pulse width is shortened again and is equal to the pulse laser beam (11) before amplification. At this time, the output amplified for each wavelength (the lower part of table (14) in FIG. 8) is output at the same timing, so that the peak intensity becomes high. That is, the pulse laser beam (14) having the same ultrashort pulse width as that of the pulse laser beam (11) before amplification and having a high peak intensity is output.

従って、ＣＰＡ法を用いて、高強度の超短パルスレーザーを得ることができる。 Therefore, a high-intensity ultrashort pulse laser can be obtained using the CPA method.

更に、特許文献２には、光パラメトリック増幅（ＯＰＣＰＡ：ＯｐｔｉｃａｌＰａｒａｍｅｔｒｉｃＣｈｉｒｐｅｄＰｕｌｓｅＡｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法をパルスレーザー光の増幅に用い、更に、この際に、図８におけるパルス伸張器９２とパルス圧縮器９４として、同一の光学素子を用いることによって、装置の構成を大幅に単純化し、小型化が可能であることが記載されている。図９は、このレーザー装置の構成を示す図である。ここで、前記のパルス伸張器９２とパルス圧縮器９４とを共通としたパルス伸張・圧縮器９５が用いられる。また、レーザー増幅器として、特に光パラメトリック増幅を行う光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ：ＯｐｔｉｃａｌＰａｒａｍｅｔｒｉｃＡｍｐｌｉｆｉｅｒ）９６が用いられる。 Further, in Patent Document 2, an optical parametric amplification (OPPCA) method is used for amplification of pulsed laser light. Further, at this time, as a pulse stretcher 92 and a pulse compressor 94 in FIG. It is described that by using the same optical element, the configuration of the apparatus can be greatly simplified and miniaturized. FIG. 9 is a diagram showing the configuration of this laser apparatus. Here, a pulse stretcher / compressor 95 in which the pulse stretcher 92 and the pulse compressor 94 are used in common is used. As the laser amplifier, an optical parametric amplifier (OPA) 96 that performs optical parametric amplification is used.

ここでは、前記と同様に、レーザー発振器９１が増幅前のパルスレーザー光（１）を発する。このパルスレーザー光（１）は、パルス伸張・圧縮器９５によって正にチャープされ、ＯＰＡ９６に入射するシグナル光（２）となる。ＯＰＡ９６においては、ポンプ光が入力され、これによって増幅されたシグナル光（３）と、光パラメトリック増幅の際に副次的に生成されるアイドラー光（４）とが発せられる。ここでは、増幅されたシグナル光（３）は使用されず、アイドラー光（４）が取り出され、アイドラー光（４）がパルス伸張・圧縮器９５を通過して出力光（５）として取り出される。 Here, similarly to the above, the laser oscillator 91 emits the pulse laser beam (1) before amplification. This pulse laser beam (1) is chirped positively by the pulse stretcher / compressor 95 and becomes signal light (2) incident on the OPA 96. In the OPA 96, pump light is input, and signal light (3) amplified by the pump light and idler light (4) generated secondary during optical parametric amplification are emitted. Here, the amplified signal light (3) is not used, idler light (4) is extracted, and idler light (4) passes through the pulse stretcher / compressor 95 and is extracted as output light (5).

ここで、ＯＰＡ９６における増幅媒質としては、例えばＢＢＯ（β−ＢａＢ_２Ｏ_４）結晶を用いることができる。ＯＰＣＰＡにおいては、入射光（２）と共にポンプ光を入射させることによってポンプ光のエネルギーをシグナル光に移行させ、増幅されたシグナル光と、一般的にはこれと異なる波長のアイドラー光とが発せられる。従って、ポンプ光がオンとされている間だけこの増幅が行われる。 Here, as an amplification medium in the OPA 96, for example, a BBO (β-BaB ₂ O ₄ ) crystal can be used. In OPCPA, the energy of pump light is transferred to signal light by making pump light incident with incident light (2), and amplified signal light and generally idler light having a different wavelength are emitted. . Therefore, this amplification is performed only while the pump light is on.

前記の通り、パルス伸張器９２を正の分散特性とした場合には、パルス圧縮器９４としては負の分散特性が必要となる。ここで、ＯＰＣＰＡにおけるシグナル光とアイドラー光の位相は逆転するために、ある媒質でシグナル光（１）が正にチャープされる場合には、アイドラー光（４）は逆に負にチャープされる。このため、特許文献２に記載の技術においては、パルス伸張器とパルス圧縮器として同一の光学素子（パルス伸張・圧縮器９５）を用い、レーザー光（１）をパルス伸張・圧縮器で正にチャープした後に、ＯＰＡ９６によって増幅し、この際に発せられたアイドラー光（４）を再びこのパルス伸張・圧縮器９５に通している。これにより、アイドラー光（４）は負にチャープされるため圧縮され、超短パルスレーザー光である出力光（５）となる。このため、パルス伸張器とパルス圧縮器を個別に設ける必要がなく、装置全体を小型化することができる。また、ＯＰＣＰＡにおいては、他の増幅法を用いる場合と比べて、使用する増幅媒質（ＯＰＡ９６）を小型化することができる。この観点からも、このレーザー装置全体を小型化することができる。更に、この構成では、レーザー装置の構成要素を減らすことができるために構成要素のアライメントが容易となり、アライメント精度を維持することも容易となるため、高性能を安定して維持することも容易となる。 As described above, when the pulse stretcher 92 has a positive dispersion characteristic, the pulse compressor 94 needs a negative dispersion characteristic. Here, since the phases of the signal light and the idler light in OPCPA are reversed, when the signal light (1) is positively chirped in a certain medium, the idler light (4) is negatively chirped. For this reason, in the technique described in Patent Document 2, the same optical element (pulse stretcher / compressor 95) is used as the pulse stretcher and the pulse compressor, and the laser beam (1) is positively transmitted by the pulse stretcher / compressor. After chirping, it is amplified by the OPA 96, and the idler light (4) emitted at this time passes through the pulse stretcher / compressor 95 again. As a result, the idler light (4) is compressed because it is negatively chirped, and becomes output light (5) which is an ultrashort pulse laser light. For this reason, it is not necessary to provide a pulse stretcher and a pulse compressor separately, and the whole apparatus can be reduced in size. Further, in OPCPA, the amplification medium (OPA 96) to be used can be reduced in size as compared with the case where other amplification methods are used. Also from this viewpoint, the entire laser apparatus can be reduced in size. Further, in this configuration, since the number of components of the laser device can be reduced, the alignment of the components becomes easy and the alignment accuracy can be easily maintained, so that it is easy to stably maintain high performance. Become.

特開平８−４６２７６号公報JP-A-8-46276 特開２０１０−２８１８９１号公報JP 2010-281891 A

しかしながら、パルス伸張・圧縮器中において充分なパルス伸張・圧縮を行うためには、パルス伸張・圧縮器中における光路長を充分に大きくとる必要がある。この点については、パルス伸張器、パルス圧縮器を個別に設ける場合と同様である。このため、パルス伸張・圧縮器としては、例えば大きさが数１０ｃｍ程度のガラスブロックが必要であった。このため、ＯＰＡを小型化した場合でも、移動させることが容易となる程度の小型のレーザー装置をこのパルス伸張・圧縮器を用いて実現することは困難であり、更なる装置全体の小型化が望まれた。 However, in order to perform sufficient pulse stretching / compression in the pulse stretching / compressor, it is necessary to make the optical path length in the pulse stretching / compressor sufficiently large. This is the same as the case where a pulse stretcher and a pulse compressor are provided separately. For this reason, as the pulse stretcher / compressor, for example, a glass block having a size of about several tens of centimeters is required. For this reason, even if the OPA is downsized, it is difficult to realize a small laser device that can be easily moved using this pulse stretcher / compressor, and further downsizing of the entire device can be achieved. Wanted.

すなわち、チャープパルス増幅を用いて超短パルスレーザー光を発振するレーザー装置の小型化は困難であった。 That is, it has been difficult to reduce the size of a laser device that oscillates ultrashort pulse laser light using chirped pulse amplification.

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide an invention that solves the above problems.

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明のレーザー装置は、レーザー光源から発したパルスレーザー光を増幅して出力するレーザー装置であって、チャープされた前記パルスレーザー光をシグナル光とし、該シグナル光と共にポンプ光が入射され、増幅された前記シグナル光と、前記シグナル光と逆方向にチャープされたアイドラー光とを出力する光パラメトリック増幅器と、屈折率に分散特性をもつ光学材料で構成され、前記光パラメトリック増幅器に入射する前の前記パルスレーザー光、及び前記アイドラー光をチャープさせるパルス伸張・圧縮器と、を具備し、前記パルス伸張・圧縮器は、矩形体形状における矩形を構成する異なる長さの長辺と短辺のうちの一つの辺の両端に位置する各頂点がそれぞれ面取り加工されることによって形成された第１、第２の入出射面を具備し、前記第１の入出射面から入射した前記パルスレーザー光を前記パルス伸張・圧縮器の内面で反射させ、チャープされた前記パルスレーザー光を前記第２の入出射面から出射させ、前記第２の入出射面から入射した前記アイドラー光を前記パルス伸張・圧縮器の内面で反射させ、チャープされた前記アイドラー光を前記第１の入出射面から出射させることを特徴とする。
本発明のレーザー装置において、前記パルス伸張・圧縮器は、前記第１の入出射面から入射した前記パルスレーザー光を前記パルス伸張・圧縮器の内面で多重反射させ、前記第２の入出射面から入射した前記アイドラー光を前記パルス伸張・圧縮器の内面で多重反射させることを特徴とする。
本発明のレーザー装置は、前記パルス伸張・圧縮器において、前記矩形の長辺の長さの短辺の長さに対する比率は３／２以下の範囲であることを特徴とする。
本発明のレーザー装置において、前記パルス伸張・圧縮器は、屈折率１．６以上のガラス材料で構成されたことを特徴とする。
本発明のレーザー装置において、前記光パラメトリック増幅器は、前記第２の入出射面と対向して前記パルス伸張・圧縮器に固定されて設置されたことを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention has the following configurations.
The laser device of the present invention is a laser device that amplifies and outputs pulsed laser light emitted from a laser light source. The chirped pulsed laser light is used as signal light, and pump light is incident along with the signal light to be amplified. The optical parametric amplifier that outputs the signal light and the idler light chirped in the opposite direction to the signal light, and an optical material having a dispersion characteristic in the refractive index, and before entering the optical parametric amplifier A pulse stretcher / compressor for chirping the pulsed laser light and the idler light, and the pulse stretcher / compressor includes a long side and a short side of different lengths forming a rectangle in a rectangular shape. First and second incident / exit surfaces formed by chamfering each vertex located at both ends of one side of Comprising, reflecting the pulse laser beam incident from the first incident / exit surface on the inner surface of the pulse stretcher / compressor, emitting the chirped pulse laser beam from the second incident / exit surface, The idler light incident from the second incident / exit surface is reflected by the inner surface of the pulse stretcher / compressor, and the chirped idler light is emitted from the first incident / exit surface.
In the laser apparatus of the present invention, the pulse stretcher / compressor causes the pulse laser beam incident from the first entrance / exit surface to be multiple-reflected by an inner surface of the pulse stretcher / compressor, and the second entrance / exit surface. The idler light incident from the light is multiple-reflected by the inner surface of the pulse stretcher / compressor.
The laser apparatus according to the present invention is characterized in that, in the pulse stretcher / compressor, the ratio of the length of the long side of the rectangle to the length of the short side is within a range of 3/2 or less.
In the laser apparatus of the present invention, the pulse stretcher / compressor is made of a glass material having a refractive index of 1.6 or more.
In the laser apparatus of the present invention, the optical parametric amplifier is fixedly installed on the pulse stretcher / compressor so as to face the second incident / exit surface.

本発明は以上のように構成されているので、チャープパルス増幅を用いて超短パルスレーザー光を発振するレーザー装置を小型化することができる。 Since the present invention is configured as described above, a laser apparatus that oscillates an ultrashort pulse laser beam using chirped pulse amplification can be reduced in size.

本発明の実施の形態に係るレーザー装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the laser apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るレーザー装置におけるＯＰＡ近傍の構成を拡大して示す図である。It is a figure which expands and shows the structure of OPA vicinity in the laser apparatus concerning embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るレーザー装置におけるパルス伸張・圧縮器の形状を示す図である。It is a figure which shows the shape of the pulse expansion | extension / compressor in the laser apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るレーザー装置におけるパルス伸張・圧縮器の変形例の形状を示す図である。It is a figure which shows the shape of the modification of the pulse expansion | extension / compressor in the laser apparatus which concerns on embodiment of this invention. 実施例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of an Example. 実施例におけるＯＰＡから出力されたシグナル光とアイドラー光のスペクトルを測定した結果である。It is the result of measuring the spectrum of the signal light and idler light output from OPA in an Example. 実施例における出力光の自己相関である。It is the autocorrelation of the output light in an Example. ＣＰＡを用いたレーザー装置（第１の従来例）の構成を説明した図である。It is the figure explaining the structure of the laser apparatus (1st prior art example) using CPA. ＣＰＡとパルス伸張・圧縮器を用いたレーザー装置（第２の従来例）の構成を説明した図である。It is a figure explaining the structure of the laser apparatus (2nd prior art example) using CPA and the pulse expansion | extension / compressor.

以下、本発明の実施の形態に係るレーザー装置について説明する。図１は、このレーザー装置１０の構成を示す図である。このレーザー装置１０においては、レーザー発振器１１が発振した超短パルスレーザー光（１）を増幅して、高強度の超短パルスレーザー（出力光）（５）を出力する。この際、以下に説明するレーザー増幅方法を用い、超短パルス幅で高いピーク強度をもつパルスレーザー光を出力する。 Hereinafter, a laser apparatus according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a diagram showing a configuration of the laser device 10. In the laser apparatus 10, the ultrashort pulse laser beam (1) oscillated by the laser oscillator 11 is amplified, and a high-intensity ultrashort pulse laser (output light) (5) is output. At this time, a laser amplification method described below is used to output a pulsed laser beam having an ultrashort pulse width and a high peak intensity.

図１では、主にパルス伸張・圧縮器を中心とした構成について示されており、他の構成要素は簡略化して示されている。この図は、図９（特許文献２の図１）に対応している。このレーザー装置１０においても、レーザー光源１１から発せられたパルスレーザー光（１）は、パルス伸張・圧縮器１２を通過することによって正にチャープされて伸張されて出力された（２）後に、光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）１３で増幅される。ＯＰＡ１３からは、増幅されたシグナル光（３）（図示せず）とアイドラー光（４）とが出力されるが、ここではアイドラー光（４）のみが取り出され、このアイドラー光（４）が、再びパルス伸張・圧縮器１２を通過することによって圧縮されて出力光（５）となる。 FIG. 1 mainly shows a configuration centering on a pulse stretcher / compressor, and other components are shown in a simplified manner. This figure corresponds to FIG. 9 (FIG. 1 of Patent Document 2). Also in this laser apparatus 10, the pulse laser beam (1) emitted from the laser light source 11 is positively chirped by passing through the pulse stretcher / compressor 12, expanded and output (2), and then the light. Amplified by a parametric amplifier (OPA) 13. The amplified signal light (3) (not shown) and idler light (4) are output from the OPA 13, but only the idler light (4) is extracted here, and this idler light (4) The light is compressed by passing through the pulse stretcher / compressor 12 again to become output light (5).

このレーザー装置１０においても、特許文献２に記載の技術と同様に、パルス伸張器とパルス圧縮器を個々に具備する代わりに、単一のパルス伸張・圧縮器１２を具備する。また、増幅器として、ＯＰＡ１３が用いられており、その出力における、増幅されたシグナル光（３）の代わりに、アイドラー光（４）が用いられる点についても同様である。ただし、パルス伸張・圧縮器１２の構成及びその使用の態様が特許文献２に記載の構成とは異なる。 This laser apparatus 10 also includes a single pulse stretcher / compressor 12 instead of individually including a pulse stretcher and a pulse compressor, as in the technique described in Patent Document 2. The same applies to the point that the OPA 13 is used as the amplifier, and the idler light (4) is used instead of the amplified signal light (3) at the output. However, the configuration of the pulse stretcher / compressor 12 and the mode of use thereof are different from the configuration described in Patent Document 2.

このパルス伸張・圧縮器１２は略矩形体形状であり、屈折率が１．６以上の正の分散特性をもつ透明なガラスで構成される。図１においては、その上面図が示されており、図示されるように、矩形における長辺（図１における右辺）の両側の２つの頂部が、この長辺に対して４５°の角度かつ紙面と垂直方向に面取り加工されている。この面取り加工された箇所が光の入射、出射のために用いられる。すなわち、このパルス伸張・圧縮器１２においては、図１におけるこの面取り加工された上下の２箇所において、図１の紙面と垂直に、第１の入出射面１２１、第２の入出射面１２２が、それぞれ形成されている。 The pulse stretcher / compressor 12 has a substantially rectangular shape and is made of transparent glass having a positive dispersion characteristic with a refractive index of 1.6 or more. In FIG. 1, the top view is shown, and as shown in the drawing, the two apexes on both sides of the long side (right side in FIG. 1) of the rectangle are at an angle of 45 ° with respect to the long side and the paper surface. Chamfered in the vertical direction. This chamfered portion is used for light incidence and emission. That is, in the pulse stretcher / compressor 12, the first incident / exit surface 121 and the second incident / exit surface 122 are perpendicular to the paper surface of FIG. , Each is formed.

パルスレーザー光（１）は、第１の入出射面１２１から、これと垂直に入射する。この光は、図１におけるパルス伸張・圧縮器１２の左側面、下面、右側面、上面（図１におけるそれぞれ左辺、下辺、右辺、上辺）で入射角４５°で全反射を繰り返し、図示される光路で合計２１回の反射を経て、第２の入出射面１２２から出射する。この間の光路長は、矩形の辺の長さの１０倍以上とすることができる。この光路長内において、ガラスのもつ正の分散特性によって、パルスレーザー光（１）を正にチャープし、そのパルス幅を実質的に広げると共に、ピーク強度を低下させることができる。ガラスの屈折率を１．６以上とすることによって、パルス伸張・圧縮器１２の周囲を大気又は真空とした場合には、この界面における屈折率差を大きくすることができるため、全ての反射点において入射角４５°で全反射（反射率＝１００％）を起こすことができる。このため、反射に際してのパルスレーザー光の強度の損失は発生せず、ガラス中における吸収が無視できれば、単一のパルスで放射される全エネルギーは変化しない。このため、パルスレーザー光は正にチャープされた状態となり、パルスの時間幅が伸張され、単一のパルスで放射される全エネルギーが保存された状態で、そのピーク強度は低下する。すなわち、充分な長さの光路長をもって正にチャープされたパルスレーザー光（２）が第２の入出射面１２２から、第２入出射面１２２と垂直に発せられる。 The pulse laser beam (1) is incident from the first incident / exit surface 121 perpendicularly thereto. This light is shown in the figure by repeating total reflection at an incident angle of 45 ° on the left side, bottom side, right side, and top side (left side, bottom side, right side, top side in FIG. 1 respectively) of the pulse stretcher / compressor 12 in FIG. The light is emitted from the second incident / exit surface 122 after a total of 21 reflections in the optical path. The optical path length during this period can be 10 times or more the length of the side of the rectangle. Within this optical path length, the pulse laser beam (1) can be chirped positively by the positive dispersion characteristic of the glass, the pulse width can be substantially widened, and the peak intensity can be reduced. By setting the refractive index of the glass to 1.6 or more, the difference in refractive index at this interface can be increased when the periphery of the pulse stretcher / compressor 12 is air or vacuum. The total reflection (reflectance = 100%) can occur at an incident angle of 45 °. For this reason, there is no loss of intensity of the pulsed laser beam upon reflection, and if the absorption in the glass can be ignored, the total energy emitted by a single pulse does not change. For this reason, the pulse laser beam is in a state of being positively chirped, the time width of the pulse is expanded, and the peak intensity is lowered in a state where all the energy emitted by a single pulse is preserved. That is, the positively chirped pulse laser beam (2) having a sufficiently long optical path length is emitted from the second incident / exit surface 122 perpendicular to the second incident / exit surface 122.

チャープされたパルスレーザー光（２）は、図９の構成と同様に、ＯＰＡ１３に入射し、ここで増幅されたシグナル光（３）とアイドラー光（４）とが出力される。なお、ここでは、チャープされたパルスレーザー光（２）と共にポンプ光もＯＰＡ１３に入射するが、その記載は省略されている。アイドラー光（４）は、第２の入出射面１２２に垂直に入射し、前記のパルスレーザー光（１）と同じ光路を逆向きに通り、同じ光路長を経て第１の入出射面１２１から垂直に発せられ、出力光（５）となる。この際、特許文献２に記載の技術と同様に、アイドラー光（４）は、パルス伸張・圧縮器１２によって負にチャープされるため、パルスの時間幅が圧縮され、単一のパルスで放射される全エネルギーが保存された状態で、パルス幅が短く、ピーク強度が高くなる。 The chirped pulse laser beam (2) enters the OPA 13 as in the configuration of FIG. 9, and the amplified signal beam (3) and idler beam (4) are output. Here, the pump light also enters the OPA 13 together with the chirped pulse laser light (2), but the description thereof is omitted. The idler light (4) is perpendicularly incident on the second incident / exit surface 122, passes through the same optical path as the pulse laser beam (1) in the reverse direction, and passes through the same optical path length from the first incident / exit surface 121. It is emitted vertically and becomes output light (5). At this time, since the idler light (4) is negatively chirped by the pulse stretcher / compressor 12 as in the technique described in Patent Document 2, the time width of the pulse is compressed and emitted as a single pulse. With all the energy stored, the pulse width is short and the peak intensity is high.

すなわち、このパルス伸張・圧縮器１２においては、パルスレーザー光（１）、アイドラー光（４）は、第１の入出射面１２１と第２の入出射面１２２の間においてパルス伸張・圧縮器１２の内面で多重反射されることによって、チャープ（パルス伸張・圧縮）される。 That is, in this pulse stretcher / compressor 12, the pulse laser light (1) and idler light (4) are transmitted between the first entrance / exit surface 121 and the second entrance / exit surface 122. The laser beam is chirped (pulse stretched / compressed) by multiple reflection on the inner surface.

なお、図１においては、単純化のために、パルス伸張・圧縮器１２に入射したパルスレーザー光（１）の光路と、パルス伸張・圧縮器１２に入射したアイドラー光（４）の光路を重複させて記載しているが、実際には、これらの光路を、図１における紙面と垂直方向における異なる位置に形成することができる。これによって、第２の入出射面１２２側における正にチャープされたパルスレーザー光（２）とアイドラー光（４）が辿る光路長は同一とするがその光路は重複させず、第１の入出射面１２１側におけるパルスレーザー光（１）と出力光（５）をそれぞれ分離することも容易である。 In FIG. 1, for simplification, the optical path of the pulse laser beam (1) incident on the pulse stretcher / compressor 12 and the optical path of the idler light (4) incident on the pulse stretcher / compressor 12 are overlapped. In practice, these optical paths can be formed at different positions in the direction perpendicular to the paper surface in FIG. As a result, the optical path lengths followed by the positively chirped pulse laser beam (2) and the idler light (4) on the second incident / exiting surface 122 side are the same, but the optical paths do not overlap, and the first incident / exiting light It is also easy to separate the pulsed laser beam (1) and the output beam (5) on the surface 121 side.

ここでは、パルス伸張・圧縮器１２の内面での多重反射を利用することにより、小さなパルス伸張・圧縮器１２中における長い光路長を確保することができ、例えば図１における縦辺５０ｍｍ、横辺４５．８ｍｍとした場合に、各辺の１０倍以上の７７．２ｃｍの光路長を実現することができる。特許文献２に記載の技術においては、光路長と等しい大きさのパルス伸張・圧縮器が必要であるため、上記の構成によって、小型のガラス片で構成されたパルス伸張・圧縮器１２を用いることができ、レーザー装置１０全体を小型化することができる。 Here, by using multiple reflection on the inner surface of the pulse stretcher / compressor 12, a long optical path length in the small pulse stretcher / compressor 12 can be secured. For example, the vertical side of FIG. In the case of 45.8 mm, an optical path length of 77.2 cm, which is 10 times or more of each side, can be realized. In the technique described in Patent Document 2, since a pulse stretcher / compressor having a size equal to the optical path length is required, the pulse stretcher / compressor 12 composed of a small glass piece is used according to the above configuration. Thus, the entire laser device 10 can be reduced in size.

この際、特許文献２に記載されるように、ＯＰＡ１３としては、例えば厚さ７ｍｍ程度のＢＢＯ結晶を用いることができる。その大きさは、光のビーム径等に応じて定まるが、一般的には、パルス伸張・圧縮器１２よりも小型とされる。このため、図２にその模式図を示すように、パルス伸張・圧縮器１２の第２の入出射面１２２側に対向、近接させて設けることが可能である。また、ＯＰＡ１３の背面（パルス伸張・圧縮器１２の反対側）からポンプ光を入射させる構成とすれば、ＯＰＡ１３を第２の入出射面１２２に特に近接させて固定して設置することができる。実際には、ＯＰＡ１３で増幅を行うために、増幅すべきシグナル光（正にチャープされたパルスレーザー光（２））と、ポンプ光の方向は略同一とする必要がある。このため、図２の構成を実現するに際しては、例えば、ＯＰＡ１３のポンプ光入射側にシグナル光の反射面を設ける、あるいはＯＰＡ１３のパルス伸張・圧縮器１２側に反射コーティングを施しポンプ光を反射させる、等の構造を設ければよい。この構成によれば、パルス伸張・圧縮器１２とＯＰＡ１３とを組み合わせた全体を略矩形体形状として一体化することができる。これによって、レーザー装置１０を小型化することが特に容易となる。また、レーザー装置１０全体を堅牢とすることができるため、これを移動させて使用することが特に容易となる。 At this time, as described in Patent Document 2, for example, a BBO crystal having a thickness of about 7 mm can be used as the OPA 13. The size is determined according to the beam diameter of the light, but is generally smaller than the pulse stretcher / compressor 12. For this reason, as shown in the schematic diagram of FIG. 2, the pulse stretcher / compressor 12 can be provided so as to face and approach the second incident / exit surface 122 side. Further, if the pump light is incident from the back surface of the OPA 13 (opposite side of the pulse stretcher / compressor 12), the OPA 13 can be fixed and installed particularly close to the second incident / exit surface 122. Actually, in order to perform amplification by the OPA 13, it is necessary to make the direction of the pumping light substantially the same as the signal light to be amplified (positively chirped pulse laser light (2)). Therefore, when realizing the configuration of FIG. 2, for example, a reflection surface of the signal light is provided on the pump light incident side of the OPA 13, or a reflection coating is applied to the pulse stretching / compressor 12 side of the OPA 13 to reflect the pump light. , Etc. may be provided. According to this configuration, the entire combination of the pulse stretcher / compressor 12 and the OPA 13 can be integrated into a substantially rectangular shape. This makes it particularly easy to reduce the size of the laser device 10. Further, since the entire laser device 10 can be made robust, it is particularly easy to move and use the laser device 10.

次に、パルス伸張・圧縮器１２の具体的構成について説明する。このパルス伸張・圧縮器１２においては、略矩形体における矩形の一つの長辺の両側の頂部が面取り加工され、前記の第１の入出射面１２１、第２の入出射面１２２とされる。ここで、この頂部側から上記のように光を入射させる場合には、略矩形体の各辺が同じ長さとすると、入射した光はこの頂部と対向する他の頂部に達するため、図１に示されるような多重反射を発生させることは不可能である。このため、ここでは、この矩形における長辺と短辺の長さは異なるものとされ、第１の入出射面１２１、第２の入出射面１２２を形成しない場合の矩形における各辺は長辺（長さａ）と短辺（長さｂ、ｂ＜ａ）に区分される。また、光路を対称としパルスレーザー光（２）とアイドラー光（４）の光路長を同一とするためには、図１における光路中に形成されるマス目の各々は、同一サイズの正方形となる。これより、図３に示されるように、各辺における反射点の間隔は、図３に示される通りとなる。このため、ｂ＝ａ−ｂ＋５×（２（ａ−ｂ））＝１１（ａ−ｂ）が成立し、これにより、ｂ＝１１ａ／１２となった場合に、図３の構成が実現される。この場合、上辺（短辺）、下辺（短辺）で５回、左辺（長辺）で６回、右辺（長辺）で５回（合計２１回）の反射をさせることによって、長い光路長を確保することができる。 Next, a specific configuration of the pulse stretcher / compressor 12 will be described. In this pulse stretcher / compressor 12, the tops on both sides of one long side of a rectangle in a substantially rectangular body are chamfered to form the first incident / exit surface 121 and the second incident / exit surface 122. Here, when the light is incident from the top side as described above, if each side of the substantially rectangular body has the same length, the incident light reaches the other top portion facing the top portion. It is impossible to generate multiple reflections as shown. For this reason, here, the lengths of the long side and the short side in the rectangle are different from each other, and each side in the rectangle when the first incident / exit surface 121 and the second incident / exit surface 122 are not formed is a long side. (Length a) and short sides (length b, b <a). Further, in order to make the optical path symmetrical and make the optical path lengths of the pulse laser beam (2) and the idler light (4) the same, each of the squares formed in the optical path in FIG. 1 becomes a square of the same size. . Accordingly, as shown in FIG. 3, the interval between the reflection points on each side is as shown in FIG. For this reason, b = a−b + 5 × (2 (ab)) = 11 (ab) is established, and thus when b = 11a / 12, the configuration of FIG. 3 is realized. . In this case, a long optical path length is obtained by reflecting the upper side (short side), the lower side (short side) 5 times, the left side (long side) 6 times, and the right side (long side) 5 times (total 21 times). Can be secured.

ここで、ａ−ｂ（長辺と短辺の長さの差）を小さくすれば、図３における短辺、長辺における反射点の間隔をより短くし反射点の数をより多くすることができ、光路長を更に長くすることができる。しかしながら、この場合においては、第１の入出射面１２１、第２の入出射面１２２が設けられた側の頂点近くの反射点を確保することが必要となるために、第１の入出射面１２１、第２の入出射面１２２を小さくせざるを得ない。すなわち、反射点の数を多くして光路長を長くとる場合には、第１の入出射面１２１、第２の入出射面１２２は小さくする必要がある。 Here, if ab (the difference between the lengths of the long side and the short side) is reduced, the distance between the reflection points on the short side and the long side in FIG. 3 may be shortened to increase the number of reflection points. The optical path length can be further increased. However, in this case, since it is necessary to secure a reflection point near the apex on the side where the first input / output surface 121 and the second input / output surface 122 are provided, the first input / output surface 121, the 2nd entrance / exit surface 122 must be made small. That is, when the number of reflection points is increased to increase the optical path length, the first incident / exit surface 121 and the second incident / exit surface 122 need to be reduced.

一方、実際には、このパルス伸張・圧縮器１２を通過するパルスレーザー光は、光軸と垂直方向に広がりをもつ。実際には、ビーム強度は中心から徐々に減少するため、中心からビーム強度が１／ｅ^２となる点までの距離ｒを、この広がり（ビームサイズ）の半径とすることができる。第１の入出射面１２１、第２の入出射面１２２としては、このビームサイズの光を透過させる程度の大きさは必要である。 On the other hand, in practice, the pulse laser beam passing through the pulse stretcher / compressor 12 has a spread in a direction perpendicular to the optical axis. Actually, since the beam intensity gradually decreases from the center, the distance r from the center to the point where the beam intensity becomes 1 / e ² can be set as the radius of the spread (beam size). The first incident / exit surface 121 and the second incident / exit surface 122 need to be large enough to transmit light of this beam size.

反射点の数が多くなった場合には、図３に示されるように、第１の入出射面１２１、第２の入出射面１２２が形成されなかった場合の頂点とこれに最も近接する反射点との中点に、第１の入出射面１２１、第２の入出射面１２２を形成することができる。この場合には、図３に示されるように、第１の入出射面１２１、第２の入出射面１２２の光軸に垂直な長さＤ（入出射開口）は（１）式で表される。 When the number of reflection points increases, as shown in FIG. 3, the vertex when the first incident / exit surface 121 and the second incident / exit surface 122 are not formed and the reflection closest thereto. The first incident / exit surface 121 and the second incident / exit surface 122 can be formed at the midpoint of the point. In this case, as shown in FIG. 3, the length D (input / output opening) perpendicular to the optical axis of the first input / output surface 121 and the second input / output surface 122 is expressed by equation (1). The

前記の通り、Ｄはこれを通過する光のビームサイズよりも充分に大きいことが必要である。このための一つの指針となるサイズを、前記のビーム半径ｒの４倍（直径の２倍）４ｒとすることができる。前記のＤとこの大きさが等しいとすると、ａとｂの関係は、（２）式となる。 As described above, D needs to be sufficiently larger than the beam size of light passing through it. One guideline size for this purpose can be set to 4r (2 times the diameter) 4r of the beam radius r. If this magnitude is equal to D, the relationship between a and b is given by equation (2).

すなわち、ｒ（ビームサイズ）が大きいほど、ｂとａの差は大きくすることが必要となる。通常用いられる超短パルス光においては、例えばｒ＝１．４７ｍｍ程度となる。（２）式によるｂと前記の１１ａ／１２を等しいとし、ａ＝５０ｍｍとした場合には、ｂ＝４５．８３ｍｍとなる。すなわち、図３の構成を実現するためのａ、ｂはこの値となり、Ｄ＝５．８８ｍｍとなる。 That is, the larger r (beam size), the greater the difference between b and a. In the normally used ultrashort pulse light, for example, r = 1.47 mm. If b in the equation (2) is equal to 11a / 12 and a = 50 mm, then b = 45.83 mm. That is, a and b for realizing the configuration of FIG. 3 are this value, and D = 5.88 mm.

このように、ａは僅かにｂよりも大きく設定される。例えば、ｒが上記の値に近い場合において、特に好ましいａ／ｂの値としては、２５／２３程度以上となる。 Thus, a is set slightly larger than b. For example, when r is close to the above value, a particularly preferable a / b value is about 25/23 or more.

上記の例においては、第１の入出射面１２１、第２の入出射面１２２は、一つの長辺の両側に設けられた。しかしながら、これらを短辺の両側に設けることもできる。図４（ａ）はａ／ｂ＝１１／１０の場合、図４（ｂ）はａ／ｂ＝３／２の場合において、短辺側にこれらを設けた例をそれぞれ示す。図４（ａ）においては、図３と同様に、パルスレーザー光（２）とアイドラー光（４）を多重反射させることができる。また、図４（ｂ）の場合には、反射回数（３回）は少なく光路長も比較的短いものの、長辺の長さａよりも長い光路長を得ることができる。 In the above example, the first incident / exit surface 121 and the second incident / exit surface 122 are provided on both sides of one long side. However, these can also be provided on both sides of the short side. 4A shows an example in which these are provided on the short side when a / b = 11/10, and FIG. 4B shows a case where a / b = 3/2. In FIG. 4A, similarly to FIG. 3, the pulsed laser beam (2) and the idler beam (4) can be subjected to multiple reflection. In the case of FIG. 4B, although the number of reflections (three times) is small and the optical path length is relatively short, an optical path length longer than the long side length a can be obtained.

このように、上記のパルス伸張・圧縮器１２の形状としては、矩形体形状における一つの矩形の長辺と短辺の長さが等しくない場合（ａ≠ｂ）には、この長辺又は短辺の両側に第１の入出射面１２１、第２の入出射面１２２を設けたものを用いることができる。また、ａ／ｂが大きい場合には、反射回数が少なくなり光路長を長くする効果は小さくなるものの、図４（ｂ）のようにａ／ｂ＝３／２の場合においても、ａよりも充分光路長を長くすることができる。あるいは、光路長がａよりも長くなることについては、反射回数が１回であっても同様である。第１の入出射面１２１、第２の入出射面１２２を長辺、短辺のどちらの両側に形成するかは、レーザー装置１０全体の構成に応じて適宜設定することができる。例えば、レーザー発振器１１等を含めたレーザー装置１０全体が縦長であれば短辺側に第１の入出射面１２１、第２の入出射面１２２を設け、これが横長であれば長辺側にこれらを設けることによって、全体をよりコンパクトな形状にすることができる。また、図２に示されるように、ＯＰＡ１３を組み合わせた形状を考慮してこの設定をすることができる。 Thus, as the shape of the above-described pulse stretcher / compressor 12, when the long side and the short side of one rectangle in the rectangular shape are not equal in length (a ≠ b), this long side or short side is used. What provided the 1st entrance / exit surface 121 and the 2nd entrance / exit surface 122 on the both sides of the edge | side can be used. When a / b is large, the number of reflections is reduced and the effect of increasing the optical path length is reduced. However, even when a / b = 3/2 as shown in FIG. The optical path length can be made sufficiently long. Alternatively, the optical path length is longer than a even if the number of reflections is one. Whether the first incident / exit surface 121 and the second incident / exit surface 122 are formed on either the long side or the short side can be appropriately set according to the configuration of the entire laser apparatus 10. For example, if the entire laser device 10 including the laser oscillator 11 is vertically long, the first incident / exit surface 121 and the second incident / exit surface 122 are provided on the short side, and if this is horizontally long, these are on the long side. By providing, the whole can be made into a more compact shape. Further, as shown in FIG. 2, this setting can be made in consideration of the shape combined with OPA13.

なお、上記の例において、第１の入出射面１２１、第２の入出射面１２２と長辺（短辺）との間の角度は４５°であり、これらの面に対して光が直入射する（これらの面と入射光が垂直である）ものとした。しかしながら、第１の入出射面１２１、第２の入出射面１２２と長辺（短辺）との間の角度が厳密に４５°である必要はない。この場合においては、これらの面に対する光を直入射とせずに、図１、３に示された光路を実現することができる。 In the above example, the angle between the first incident / exit surface 121, the second incident / exit surface 122 and the long side (short side) is 45 °, and light is incident directly on these surfaces. (These surfaces are perpendicular to the incident light). However, the angle between the first incident / exit surface 121 and the second incident / exit surface 122 and the long side (short side) need not be strictly 45 °. In this case, the optical paths shown in FIGS. 1 and 3 can be realized without direct incidence of light on these surfaces.

（実施例）
実際に、図１の構成を具体化した図５の構成のレーザー装置を試作し、出力されたパルスレーザー光の特性を調べた。ここでは、中心波長１０２０ｎｍ、パルス幅５０ｆｓ（ＦＷＨＭ）の超短パルスレーザー光（１）を発するレーザー光源１１が用いられた。また、ここでは、このレーザー光（１）はビームスプリッタ２１で分割され、ポンプ光生成器２２の種光ともされた。ポンプ光生成器２２においては低温冷却Ｙｂ：ＹＬＦレーザー光が用いられ、パルス幅５．２ｐｓの出力光が取り出され、更にこの出力光の第二高調波（波長５１０ｎｍ）が０．９ｍｍ程度の大きさ、０．７ｍＪの強度にコリメートされ、ポンプ光として取り出された。このポンプ光は、ミラー２３で反射され、ＯＰＡ１３に入射した。ＯＰＡ１３としては、厚さ７ｍｍのタイプＩ−ＢＢＯ結晶が用いられた。なお、図５は実施例の構成を模式的に示しており、実際にはポンプ光はＯＰＡ１３におけるパルス伸張・圧縮器１２側から入射させた。 (Example)
Actually, a laser apparatus having the configuration shown in FIG. 5 that embodies the configuration shown in FIG. 1 was prototyped, and the characteristics of the output pulse laser beam were examined. Here, the laser light source 11 emitting an ultrashort pulse laser beam (1) having a center wavelength of 1020 nm and a pulse width of 50 fs (FWHM) was used. Further, here, the laser beam (1) is split by the beam splitter 21 and used as the seed light of the pump light generator 22. The pump light generator 22 uses low-temperature cooled Yb: YLF laser light, and outputs light with a pulse width of 5.2 ps. Further, the second harmonic (wavelength 510 nm) of the output light is as large as about 0.9 mm. Then, it was collimated to an intensity of 0.7 mJ and extracted as pump light. This pump light was reflected by the mirror 23 and entered the OPA 13. As OPA13, a type I-BBO crystal having a thickness of 7 mm was used. FIG. 5 schematically shows the configuration of the embodiment. Actually, the pump light is incident from the pulse stretcher / compressor 12 side of the OPA 13.

パルス伸張・圧縮器１２としては、長辺５０ｍｍ、短辺４４ｍｍ、厚さ（高さ）１０ｍｍのガラスブロック（屈折率１．７６、商品名Ｓ−ＴＩＨ１１（株式会社オハラ））が用いられた。図１等の構成とは異なり、ここでは内部反射回数は計１３回とされ、対応する光路長は４９１ｍｍとなった。この光路長によって、チャープされたパルスレーザー光（２）のパルス幅は２．３ｐｓと算出される。 As the pulse stretcher / compressor 12, a glass block having a long side of 50 mm, a short side of 44 mm, and a thickness (height) of 10 mm (refractive index: 1.76, trade name: S-TIH11 (Ohara Corporation)) was used. Unlike the configuration of FIG. 1 and the like, the total number of internal reflections is 13 here, and the corresponding optical path length is 491 mm. Based on this optical path length, the pulse width of the chirped pulse laser beam (2) is calculated as 2.3 ps.

図６は、この構成においてＯＰＡ１３から出力された増幅後のシグナル光（３）とアイドラー光（４）のスペクトルである。ここで、増幅利得は３×１０^４であり、増幅後のエネルギーは６０μＪ程度であった。この結果より、増幅後のシグナル光（３）とアイドラー光（４）の中心波長はほぼ同一であり、同等の強度をもつ。自己相関計測より求めたアイドラー光（４）のパルス幅は、２ｐｓ程度であり、チャープの方向は増幅されたシグナル光（３）と逆であった。このアイドラー光（４）がパルス伸張・圧縮器１２を通過した後の出力光（５）の自己相関を算出した結果が図７である。この結果より算出された出力光（５）のパルス幅は８６．５ｆｓであり、パルス圧縮がなされていることが確認できた。この値は、算出されたフーリエ変換限界パルス幅である７５．４ｆｓよりも僅かに長い。この差は、特許文献２の段落番号００４３に記載されたような、パルス圧縮時に補償されない高次の分散の影響によるものと考えられる。 FIG. 6 is a spectrum of the amplified signal light (3) and idler light (4) output from the OPA 13 in this configuration. Here, the amplification gain was 3 × 10 ⁴ , and the energy after amplification was about 60 μJ. From this result, the center wavelengths of the amplified signal light (3) and idler light (4) are almost the same and have the same intensity. The pulse width of the idler light (4) obtained from the autocorrelation measurement was about 2 ps, and the direction of the chirp was opposite to that of the amplified signal light (3). FIG. 7 shows the result of calculating the autocorrelation of the output light (5) after the idler light (4) has passed through the pulse stretcher / compressor 12. The pulse width of the output light (5) calculated from this result was 86.5 fs, and it was confirmed that pulse compression was performed. This value is slightly longer than 75.4 fs, which is the calculated Fourier transform limit pulse width. This difference is considered to be due to the influence of higher-order dispersion that is not compensated at the time of pulse compression, as described in paragraph No. 0043 of Patent Document 2.

また、パルス伸張・圧縮器１２における光の透過率は８２．４％であった。前記の通り、パルス伸張・圧縮器１２内においては全反射が繰り返されるために反射による損失は無視でき、実際にはこの損失は入出射窓（第１の入出射面１２１、第２の入出射面１２２）で主に発生する。この点については、第１の入出射面１２１、第２の入出射面１２２に無反射コーティングを施すことによって改善することが可能である。 The light transmittance in the pulse stretcher / compressor 12 was 82.4%. As described above, since total reflection is repeated in the pulse stretcher / compressor 12, the loss due to reflection is negligible. Actually, this loss is the input / output window (the first input / output surface 121, the second input / output surface). It occurs mainly at the surface 122). This can be improved by applying a non-reflective coating to the first incident / exit surface 121 and the second incident / exit surface 122.

上記の例では、超短パルスレーザーを出力する、あるいは超短パルスレーザー光をＯＰＣＰＡ法を用いて増幅する場合について記載した。しかしながら、本発明は、これに限定されず、パルスレーザー光のパルス伸張・圧縮処理を行う全てのレーザー装置に対して適用できることは明らかである。 In the above example, the case of outputting an ultrashort pulse laser or amplifying ultrashort pulse laser light using the OPCPA method has been described. However, the present invention is not limited to this, and it is obvious that the present invention can be applied to all laser apparatuses that perform pulse stretching / compression processing of pulsed laser light.

また、上記の例では、チャープされたシグナル光と、チャープされていないポンプ光とをＯＰＡに入射させた場合について記載したが、この構成についても、同様の効果を奏する限りにおいて任意である。例えば、シグナル光をチャープせず、ポンプ光をチャープさせて、逆方向にチャープされたアイドラー光を得ることもできる。この場合においても、ポンプ光のチャープ（パルス伸張）と、アイドラー光のパルス圧縮とを、単一の光学素子を用いて行うことが可能である。このように、シグナル光とアイドラー光の位相が逆転するという性質を利用することにより、パルス伸張及び圧縮処理を行うレーザー装置の装置構成を単純化することが可能である。 In the above example, the case where the chirped signal light and the non-chirped pump light are incident on the OPA has been described. However, this configuration is optional as long as the same effect is obtained. For example, it is possible to obtain idler light chirped in the opposite direction by chirping pump light without chirping signal light. Even in this case, it is possible to perform chirping (pulse stretching) of the pump light and pulse compression of the idler light using a single optical element. As described above, by utilizing the property that the phase of the signal light and the idler light is reversed, it is possible to simplify the configuration of the laser apparatus that performs the pulse expansion and compression processing.

１０レーザー装置
１１、９１レーザー発振器
１２、９５パルス伸張・圧縮器
１３、９６光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）
２１ピームスプリッタ
２２ポンプ光発生器
２３ミラー
９２パルス伸張器
９３レーザー増幅器
９４パルス圧縮器
１２１第１の入出射面
１２２第２の入出射面 10 Laser equipment 11, 91 Laser oscillator 12, 95 Pulse stretcher / compressor 13, 96 Optical parametric amplifier (OPA)
21 Beam splitter 22 Pump light generator 23 Mirror 92 Pulse stretcher 93 Laser amplifier 94 Pulse compressor 121 First entrance / exit surface 122 Second entrance / exit surface

Claims

A laser device that amplifies and outputs pulsed laser light emitted from a laser light source,
An optical parametric amplifier that uses the chirped pulsed laser light as signal light, pump light is incident together with the signal light, and outputs the amplified signal light and idler light chirped in the opposite direction to the signal light; ,
A pulse stretcher / compressor composed of an optical material having a dispersion characteristic in refractive index and chirping the pulsed laser light before entering the optical parametric amplifier and the idler light;
Comprising
The pulse stretcher / compressor
First and second incident / exit surfaces formed by chamfering each vertex located at both ends of one of the long side and the short side of different lengths constituting the rectangle in the rectangular shape Comprising
The pulse laser beam incident from the first incident / exit surface is reflected by the inner surface of the pulse stretcher / compressor, and the chirped pulse laser beam is emitted from the second incident / exit surface.
The laser apparatus characterized in that the idler light incident from the second incident / exit surface is reflected by the inner surface of the pulse stretcher / compressor and the chirped idler light is emitted from the first incident / exit surface. .

The pulse stretcher / compressor
The pulse laser beam incident from the first incident / exit surface is multiple-reflected by the inner surface of the pulse stretcher / compressor, and the idler light incident from the second incident / exit surface is reflected by the inner surface of the pulse stretcher / compressor. The laser apparatus according to claim 1, wherein multiple reflection is performed using a laser beam.

2. The laser device according to claim 1, wherein in the pulse stretcher / compressor, a ratio of a length of the long side of the rectangle to a length of the short side is within a range of 3/2 or less.

The laser apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the pulse stretcher / compressor is made of a glass material having a refractive index of 1.6 or more.

5. The optical parametric amplifier is fixed to the pulse stretcher / compressor so as to face the second incident / exit surface, and is installed in any one of claims 1 to 4. Laser equipment.