JP2015506489A - １００テラワットを超えるピークパワーおよび高コントラストを有するレーザ光源 - Google Patents

Abstract

本発明は、１００テラワット以上のエネルギーパルスを放射することができるレーザ光源であって、−固体レーザ発振器（１）と、−周波数チャーピングを有する第１の増幅段（２）と、−周波数チャーピングを有する最終の増幅段（６）と、−１つまたは２つの非線形結晶および３次非線形光学感受率を有する第１のフィルタであって、これら２つの増幅段（２、６）の間に挿入され、非線形交差偏波フィルタ（３）として知られている、交差偏波を発生させることができる第１のフィルタとをカスケード内に含むレーザチェーンからなるレーザ光源に関する。レーザチェーンはさらに、−第１の増幅段（２）と最終の増幅段（６）との間に、少なくとも１つの他の非線形交差偏波フィルタ（５）、すなわちＮ≧２であるチェーン内のＮ個のフィルタと、−第１のフィルタ（３）それぞれの出力部に配置されたＮ−１個の分散補償器（４）とを含む。

Description

本発明の分野は、少なくとも１００テラワットから数十ペタワット以上の非常に高いピークパワーのパルスを有するレーザの分野である。このレベルのピークパワーでは、パルスは一般に非常に短く、すなわち持続時間が２００フェムト秒未満である。

そのようなレーザ光源は特に、例えば、粒子（陽子、電子、イオン）を加速し、または、遠紫外線、Ｘ線もしくはγ線の領域内で２次放射を発生させることにあるレーザ材料相互作用に用いられている。パルスは、例えばターゲットの表面でプラズマを生成する目的で、一般に固体のターゲット上に集束される。

非常に高いピークパワーが、レーザ効果による増幅、すなわち「ＣＰＡ」（Ｃｈｉｒｐｅｄ Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ（チャープパルス増幅）の頭文字）に関与していようと、または、パラメトリック蛍光の増幅などの非線形光学効果による増幅、すなわち「ＯＰＣＰＡ」（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｃｈｉｒｐｅｄ Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ（光パラメトリックチャープパルス増幅）の頭文字）に関与していようとも、非常に高いピークパワーを有するこれらのレーザ光源は、本質的に固体レーザ光源技術およびチャープパルス増幅の原理に基づいている。

非常に高いピークパワーを有するレーザが使用される瞬間から、パルスの時間コントラストについての問題に多くの注意を払う必要がある。実際に、高ピークパワーを有するこれらのレーザ光源の多重増幅器構成を考えると、レーザ増幅（ＣＰＡ）の場合には自然放出光の増幅（すなわち「ＡＳＥ」）によって、またはパラメトリック増幅（ＯＰＣＰＡ）の場合にはパラメトリック蛍光の増幅によって発生した残留光信号が常に残る。図１に示したこの寄生信号は、主パルスよりはるかに大きい時間幅を有する。寄生信号は典型的に、ポンピングパルス中に存在し、ポンピングパルスは、一般に約数ナノ秒のパルス持続時間を有する。また最も重要なことには、寄生信号は、主パルスの前に既に存在している。時間コントラストとは、主パルスのピークパワーＰ１とＡＳＥパルスのピークパワーＰ０との比率である。Ｐ０の目標値および測定値は一般に、不完全圧縮などの他の影響を排除するように、主パルスの５０〜１００ピコ秒前の時間間隔の間にある。その問題は、比率が非常に高くても同じであり、非常に高いピークパワーの主パルスの場合、ＡＳＥパルスは依然として大きなピークパワーを有する。時間コントラストが１０^９：１（Ｐ１／Ｐ０＝１０^９）で、主パルスが１ペタワットである場合を考えると、ＡＳＥは、ターゲット上に集束させる場合、意図した用途に損害をもたらす主パルスが到達する前に、ターゲット上に（特にそれが固体の場合）プラズマを生成するのに十分な１メガワットのピークパワーを有する。

したがって、パルスの時間コントラストを最適化することが必要であり、ターゲットを形成する任意の固形材料を用いて満足な結果を得るためには、１ペタワットのレーザには約１０^１２：１、および１０ペタワットのレーザには約１０^１３：１の、ＡＳＥに対する時間コントラストを目指す必要があることがわかる。

現在まで、時間コントラストを増加させるために用いられている技術は、
−可飽和吸収体の追加または
−非線形結晶中で交差偏波（以下、交差偏波を「ＸＰＷ」と示す）を発生させる技術に基づいた非線形フィルタの実施、または
−プラズマミラーの使用
である。

可飽和吸収体は、実施するには非常に簡単であるが、１桁または２桁を超えてパルスのコントラストを改善することができないため、その寄与は限定的である。このことは主に、これらの材料のレーザ損傷閾値が比較的低いことによる。

ＸＰＷフィルタ技術は、２００４年に高ピークパワーを有するレーザチェーンにおいて初めて実証された。ＸＰＷフィルタの構造は、比較的単純であるが、その効率はあまり高くなく（出力部において、入力パルスのエネルギーの最大３０％が得られる）、コントラストの理論的増加（出力コントラスト＝入力コントラストの３乗）は、使用される偏光子の消光比によって大きく制限される。これは、ネットゲインが４〜５桁の大きさのもののみであることを意味するが、それでも可飽和吸収体より明らかに良好である。ＸＰＷフィルタは、２つの偏光子と、２つの偏光子の間の１つまたは２つの非線形結晶とを含む。

プラズマミラー技術は、高ピークパワーを有するレーザチェーンのコントラストを改善するために、ここ数年間用いられている。原理は、チェーンの出力部で、したがって最終の時間圧縮後に、ビームを使用することに基づいている。ビームは、透明媒体上に集束させる。したがって、ＡＳＥパルスは主パルスの出発点からであるが伝送され、透明材料の表面でプラズマを生成するのに十分な強度がある。このプラズマは反射するため、プラズマミラーを形成し、プラズマ生成前に伝送されているＡＳＥパルスの大部分を「除去する」主パルスの約７０％を反射する。しかしながら、コントラストを約４〜５桁増加させるために、操作を２回繰り返す必要がある。この主パルスは２度反射され、次いでターゲット上に集束される。

この技術には、いくつかの欠点がある。したがって、エネルギー損失は約５０％であり、ＸＰＷフィルタの場合とは異なって、さらなる増幅器が後にないため、そのことは決定的である。さらに、この技術は実施するには比較的複雑である。第１に、圧縮ビームを伴うために、装置のアセンブリは真空下にあり、ビームの大きさを考えると、アセンブリはかなり嵩高い。第２に、集束したレーザの光スポットが高反射プラズマを生成しているが、光学表面への回復不能な損傷も局部的に生成しているため、各ショットの後にプラズマミラーを移動させることが明らかに必要である。したがって、これには真空に対応する精密なモータ駆動部品を設置する必要がある。

主パルスの最低数十ピコ秒前に、固体のターゲットに対して約１０^１１：１または１０^１２：１の時間コントラストを得るためには、独立型と考えられているこれらの技術のいずれも十分ではなく、したがって、それらを組み合わせる必要がある。このことから、コントラストの改良への可飽和吸収体技術の寄与が比較的小さいことを考えると、これらの装置を使用する前のレーザチェーンの出発点における「本来の」コントラストが、約１０^５〜１０^６：１である限り、可飽和吸収体を他の２つの技術のうちの１つと組み合わせることは十分ではあり得ない。したがって、必要なレベルのコントラストを得るためにはＸＰＷフィルタおよび二重プラズマミラーを組み合わせることが必要であるが、二重プラズマミラー装置が前述の欠点を有することがわかっている。

結果として、ピークパワー、時間コントラスト、エネルギーおよび実施し易さの点で、前述の要件をすべて同時に満たすシステムの必要性が今日に至るまで残っている。

本発明の基本的な考えは、非常に単純で低価格の完全受動型装置、すなわち移動させ、または置き換える部品のない装置を用いてコントラストを７〜８桁改善するために、少なくとも２つのＸＰＷフィルタを関連付けることである。第１のＸＰＷフィルタによって、すなわち非線形結晶および偏光子を通る伝播によって生じた分散に対する補償は、最適化された特性（持続時間およびスペクトル位相）を有するパルスを第２のＸＰＷフィルタの入力部で生成するように中間圧縮機によって達成される。

より正確には、本発明の主題は、１００テラワット以上のエネルギーパルスを放射することができるレーザ光源であって、
−固体レーザ発振器と、
−周波数チャーピングを有する第１の増幅段および最終の増幅段であって、それぞれがストレッチャ、増幅チェーンおよび圧縮機をカスケード内に含む第１の増幅段および最終の増幅段と、
−１つまたは２つの非線形結晶および３次非線形光学感受率を有する第１のフィルタであって、これらの２つの増幅段の間に挿入され、非線形交差偏波フィルタとして知られている、交差偏波を発生させることができる第１のフィルタと
をカスケード内に含むレーザチェーンからなるレーザ光源である。

レーザ光源は主に、レーザチェーンが、第１の増幅段と最終の増幅段との間に、少なくとも１つの他の非線形交差偏波フィルタ、すなわちＮ≧２であるレーザチェーン内のＮ個のフィルタと、第１のフィルタ（それぞれ）の出力部に配置されたＮ−１個の分散補償器とを含むことを特徴とする。

レーザ光源は任意選択で、２つの非線形交差偏波フィルタの間に挿入された、周波数チャーピングを有する第３の増幅段を含み、この第３の増幅段は、ストレッチャ、増幅チェーンおよび圧縮機をカスケード内に含み、またこの圧縮機は分散補償器である。

分散補償器は、分散が制御されたミラー圧縮機であり得る。

増幅段は、典型的にはＣＰＡ増幅器またはＯＰＣＰＡ増幅器である。

本発明の他の特性および利点は、限定しない例として挙げ、かつ添付図面を参照した以下の詳細な説明を読むことで明らかになる。

主パルスおよびＡＳＥのピークパワーを時間の関数として概略的に示す。 本発明の第１の実施形態によるレーザ光源の第１の例を概略的に示す。 本発明によるレーザ光源の第２の例を概略的に示す。

提案する解決策の基本的な考えは、パルスのコントラストを７〜８桁改善するために、少なくとも２つのＸＰＷフィルタを組み合わせることである。

より正確には、本発明によるレーザ光源１００は、その一例を図２に示したが、
−固体レーザ発振器１と、
−周波数チャーピングを有する第１のＣＰＡ増幅段またはＯＰＣＰＡ増幅段２であって、その出力部において、コントラストが約１０^５もしくは１０^６である第１のＣＰＡ増幅段またはＯＰＣＰＡ増幅段２と、
−第１のＸＰＷフィルタ３、好ましくはＸＰＷ ＨＥフィルタと、
−例えば分散が制御された１対のミラーを含む分散補償器４と、
−別のＸＰＷフィルタ５と、
−周波数チャーピングを有する最終のＣＰＡ増幅段またはＯＰＣＰＡ増幅段６であって、その出力部において、コントラストが約１０^１２もしくは１０^１３である最終のＣＰＡ増幅段またはＯＰＣＰＡ増幅段６と
を基本構成のカスケード内に含む。

周波数チャーピングを有する増幅器は、ストレッチャと、１つまたは複数の増幅器を備えた増幅チェーンと、圧縮機とをカスケード内に含むことが思い出される。各増幅器内には、レーザビームの１つまたは複数のパスがある。

ＸＰＷフィルタは、３次非線形光学感受率を有する１つまたは２つの非線形結晶と、２つの偏光子とを含む。本発明の文脈で使用するＸＰＷフィルタの中では、特許第１６６２３０６号明細書に記載されたフィルタが挙げられ得る。これは例えば、フィルタの入力部のパルスから、直線分極を有する場Ｅを得ることを可能にする第１の偏光子Ｐ１を含むＸＰＷフィルタであり得る。この場は、立方結晶Ｃ、すなわち、さらに紫外線から赤外線までの広いスペクトル領域にわたって透明なＢａＦ_２結晶などの、入射場と発生場との間の群速度において、いかなるオフセットも有していない結晶の上に集束する。場Ｅは、結晶Ｃの外側であるが結晶Ｃの近くに集束し得る。この結晶Ｃは、入射場の一部を、Ｅの直線分極に直角である直線分極を有する場Ｅ’１に変換する。入射場の別の部分は、変換されずに結晶Ｃによって伝送される。入射場と同じ分極である、この変換されなかった場が、ＡＳＥのキャリアである。

第１の実施形態によれば、フィルタは、入力部で場Ｅ’１および残留場Ｅを受け取ることができ、この残留場Ｅから、Ｅ’１と同じ分極であり、かつ同じ時間特性を有する場Ｅ’２を発生させることができ、したがって場Ｅ’１と強め合う干渉を生成することができる、立方形状の第２の結晶を含む。

別の実施形態によれば、結晶Ｃは、この場Ｅ’２をマルチパス構成内に発生させるのに十分である。

Ｐ１の直線分極に直角の直線分極を有する第２の偏光子Ｐ２は、ＡＳＥを搬送する場を減衰させ、または除去することを可能にし、場Ｅ’１＋Ｅ’２、すなわち主パルスの場を通過させるのみである。

先に示したように、これらのフィルタの第１である３は、ＸＰＷ ＨＥ（高エネルギー）フィルタであることが好ましく、このように名付けられている理由は、結晶上のビームの大きさがこのレベルのエネルギーと対応する構成であるため、０．５ｍＪ〜１５ｍＪの入力エネルギーを備えたパルスを受信することができるからである。そのような構成の一例が、“Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｃｒｏｓｓ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｗａｖｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｃｏｍｐａｃｔ，ｅｎｅｒｇｙ−ｓｃａｌａｂｌｅ，ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ ｌａｓｅｒ ｓｏｕｒｃｅｓ”Ｒａｍｉｒｅｚ＆ａｌ．，Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．１９，Ｉｓｓｕｅ １，ｐｐ．９３−９８（２０１１）に記載されている。第２のフィルタ５は、ＸＰＷ ＨＥフィルタ、または上記の従来のＸＰＷフィルタであり、その入力エネルギーは、０．１〜０．５ｍＪである。

第１のフィルタ３が、ＸＰＷ効果が起こる偏光子および非線形結晶を通ってビームが伝播することによって引き起こされるいくらかの分散を生じさせる限り、第２の（他の）ＸＰＷフィルタ５上に、最適特性を有するビームを与えるように、この分散を補償することが不可欠である。この分散が比較的低い値であることを考えると、補償は、分散が制御されたミラー（一般には、１対のミラー）を備えた圧縮機４によって行われ、ミラーは現在市販の構成要素であり、その分散特性は、行われるべき補償に応じて調整することができる。

第２のＸＰＷフィルタ５の後に分散補償器が存在し得るが、必ずしもビームがすぐ後に伸張される限りではなく、また周波数チャーピングを有する最終の増幅段６の圧縮機を調整することによって、補償が行われ得る限りでもない。

許容入力エネルギー（最大１５ｍＪ）の点で、そのような組合せを可能にするＸＰＷフィルタが存在する。実際に例えば、第１のＸＰＷフィルタが３ｍＪのエネルギーを受け取り、効率が１５％である場合、第１のＸＰＷフィルタは、４５０μＪのビームを獲得し、損失、特にそのミラーが分散を制御された圧縮機の損失を考えると、第２のＸＰＷフィルタの入力部において３００μＪを利用することができる。この第２のフィルタの効率が２０％である場合、第２のフィルタは、周波数チャーピングを有する第２の増幅段の注入のための６０μＪのエネルギー、すなわち完全に十分な値、および容易に先行技術のレベルである値を送出することを可能にする。

複雑さの問題は、ＸＰＷ段が非常に単純であり、いくつかの結晶およびいくつかの光学部品からなり、それらの寸法は、関連するエネルギーがチェーン内のこの場所で弱いために小さいままであることから解決される。

入射エネルギーを考慮して、第１のフィルタ３は、任意選択で真空内に配置されるが、第１のフィルタ３は非線形結晶および空間フィルタリング装置のみを含む真空チャンバ、すなわち典型的には直径が５ｃｍで、長さが５０ｃｍのシリンダであるため、約１ｍ^３のプラズマミラーの場合に比べてはるかに嵩張らないチャンバである。さらに、必要な真空レベルは、プラズマミラーの場合よりもはるかに低い（約２桁低い）。

二重プラズマミラーによって生じる第２の問題、すなわちエネルギー損失の問題は、フィルタが生じさせた大きな損失（総伝送は数％しかない）を補償するように、ＸＰＷフィルタがレーザチェーンの出発点に配置されているため、周波数チャーピングを有する第２の増幅段の第１のマルチパス増幅器から１つまたは２つのパスを加えるには数％で十分であることから再び解決される。

実施形態の好ましい手段は、基本構成を用いる以下の構造にあり、
−モードロッキングを備えたチタンサファイア発振器１と、
−典型的には３ｍＪを送出する第１のチタンサファイアＣＰＡ２であって、その出力部において、コントラストが約１０^５または１０^６である第１のチタンサファイアＣＰＡ２と、
−例えば効率が１５％のＢａＦ２である１つの結晶を備えたＸＰＷ ＨＥフィルタ３と、
−全体的な伝送が約７０％である、分散が制御された１対のミラーを備えた分散補償器４と、
−典型的な入力エネルギーが３００μＪで、典型的な出力エネルギーが６０μＪである、効率が２０％のＢａＦ２である２つの結晶を備えたＸＰＷフィルタ５と、
−このＣＰＡの増幅器の数に応じて１００ＴＷ〜３０ＰＷの間の典型的に含まれるピークパワーを送出する第２のチタンサファイアＣＰＡ６と
をカスケード内に有する。

多くの変形例が可能である。
−ＢａＦ２は、ＣａＦ２、ＳｒＦ２、ＣａＢａＦ２もしくはＣａＳｒＦ２、ダイヤモンド、ＬｉＦ、ＹＡＧ、または交差偏波を発生させることができる、３次非線形光学感受率を有する任意の他の材料と置き換えることができ、
−ＣＰＡはＯＰＣＰＡと置き換えることができ、または、ハイブリッド構成（ＯＰＣＰＡ、次いでＣＰＡ）を有することが可能であり、
−ＣＰＡに対して、増幅媒体は、チタンドープサファイア、または、ネオジムドープガラスもしくはイッテルビウムドープガラスのガラス（もしくは混合物）、または、イッテルビウムドープガラスもしくはイッテルビウムドープ結晶であり得、
−フィルタ５は、ＸＰＷ ＨＥフィルタであり得、
−周波数チャーピングを有する２つの増幅段の間に挿入された３つのＸＰＷフィルタ（例えば、２つのＸＰＷ ＨＥフィルタ、次いで１つのＸＰＷフィルタ）を備え、２つの第１のＸＰＷフィルタのそれぞれの後に分散補償器を備えた構成を想定することが可能であり、この場合、エクサワットのピークパワーと対応する１０〜１２桁の大きさのコントラストの増加を想定することが可能であり、
−図３に示したような周波数チャーピングを備えた３つの増幅段（ＣＰＡまたはＯＰＣＰＡ）を備え、２つの増幅段の間に１つもしくは２つのＸＰＷフィルタ（またはＸＰＷ ＨＥフィルタ）を備え（第１の増幅段２と中間の増幅段８との間、または中間の増幅段８と最終の増幅段６との間、図の例において、増幅段２と増幅段８との間に２つのフィルタ３、７がある）、第１のＸＰＷフィルタのそれぞれの後に分散補償器を備えた構成を想定することが可能であり、この第３の増幅段８が、その圧縮機を介して分散補償器の一部の役割を果たすことができるのがわかるため、１つの補償器に取って代わる。レーザチェーンがＮ個のフィルタ（Ｎ≧２であり、第１のフィルタを含む）を含む場合、Ｎ−１個の第１のフィルタ、すなわちＮ−１個の補償器の出力部に分散補償器がある。

本発明は、ＸＰＷ技術に固有のスペクトル拡幅を増加させるという別の利点を有し得る。実際に、非線形現象は強度の３乗に依存するため、ＸＰＷ段は、スペクトルを√３倍拡幅する（したがって、同じだけパルス持続時間が減少する）。したがって、２つのＸＰＷ段を実施することは、スペクトルを３倍拡幅するようなものである。各パルスの持続時間のこの減少により、ポンピングエネルギーを削減することができる。次いで、ＣＰＡタイプの周波数チャーピングを有する増幅段を使用することが好ましい。

Claims (6)

1. １００テラワット以上のエネルギーパルスを放射することができるレーザ光源（１００）であって、
   −固体レーザ発振器（１）と、
   −周波数チャーピングを有する第１の増幅段（２）および
   −周波数チャーピングを有する最終の増幅段（６）であって、それぞれがストレッチャ、増幅チェーンおよび圧縮機をカスケード内に含む第１の増幅段（２）および最終の増幅段（６）と、
   −１つまたは２つの非線形結晶および３次非線形光学感受率を有し、交差偏波を発生させることができる、非線形交差偏波フィルタとして知られている第１のフィルタ（３）であって、前記１つまたは複数の結晶が、２つの偏光子の間に配置されている第１のフィルタ（３）と
   をカスケード内に含むレーザチェーンからなるレーザ光源（１００）であって、
   前記レーザチェーンが、
   −前記第１の増幅段（２）と前記最終の増幅段（６）との間に、少なくとも１つの他の非線形交差偏波フィルタ（５、７）、すなわちＮ≧２である前記チェーン内のＮ個のフィルタと、
   −前記第１のフィルタ（３）それぞれの出力部に配置されたＮ−１個の分散補償器（４）と
   を含むことを特徴とする、レーザ光源（１００）。
2. 前記レーザチェーンが、２つの非線形交差偏波フィルタの間に挿入された、周波数チャーピングを有する第３の増幅段（８）を含み、この第３の増幅段が、ストレッチャ、増幅チェーンおよび圧縮機をカスケード内に含み、また前記圧縮機が分散補償器であることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ光源。
3. 少なくとも１つの分散補償器が、分散が制御されたミラー圧縮機であることを特徴とする、請求項１または２に記載のレーザ光源。
4. １つ（または複数の）増幅段が、ＣＰＡ増幅器またはＯＰＣＰＡ増幅器であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ光源。
5. ＣＰＡ増幅器が、チタンドープサファイア、または、ネオジムドープガラスもしくはイッテルビウムドープガラスのガラスもしくは混合物、または、イッテルビウムドープ結晶である増幅媒体を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ光源。
6. 前記非線形結晶が、ＢａＦ２結晶であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ光源。

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