JP2016500928A - 時間コントラストが向上したレーザーパルスを増幅する装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、多波長パルスレーザービーム（２）を増幅する装置に関し、当該装置は、−２個の平坦な面、すなわち前面（１２）および反射性の背面（１１）を有する固体の増幅媒体（１）と、−背面（１１）により増幅媒体（１）を冷却する装置を含んでいる。増幅媒体（１）の前面（１２）が背面（１１）に対して第１の非ゼロ傾斜だけ傾いていて、当該装置は更に、非ゼロの第２の傾斜を間に形成する入力面と出力面を有する台形プリズム（４）を含み、第１および第２の傾斜が、プリズム（４）の出力側で各波長のビームが互いに平行になるように設定されている。

Description

本発明の分野は、科学、産業、医療、および軍事用途の固体レーザー源である。より具体的には、レーザービームの伝搬軸に沿った開口と比較して相対的に厚さが薄い、典型的には１：３未満である媒体材料（結晶等）の増幅に極めて有利に用いられる。

レーザーポンピング技術は近年著しく発展しており、１００ワット程度のオーダーの平均ポンピング電力および同オーダーの結晶内での熱蒸着が得られるパルスレーザー光源を備えることが現在可能になりつつある。

結晶内の熱エネルギーを抽出する課題を解決すべく各種の方策が実施されてきた。すなわち、
−周囲に水を循環させる従来の方法で結晶を冷却する方法は有効な方策であるが、１００ワット以上で動作するシステムを開発することができず、また、
−極低温システムを用いて結晶は冷却する方法は、結晶の熱伝導率を向上させて冷却を促進して、光ポンピングにより誘導される結晶の熱チャージに関連付けられた集束効果を低減させる。

これらの構成には、特にコスト、設置面積および振動に関して短所がある。

平均出力が高い（１０ワット超）レーザーでは、これらの方策は満足できるものではなく、背面冷却背面が用いられる。

背面冷却（矢印で示す）により増幅媒体１の冷却を実行する例示的なマルチパス増幅装置構成を図１ａ、１ｂに示す。増幅対象ビーム２が、正面図（図１ａ）では入射角φ_ｉ、上面図（図１ｂ）では入射角θ_ｉで増幅媒体１に到達する。当該装置は、ビーム２がミラー３により数回にわたり増幅媒体１を通過する事実に基づきマルチパスである。媒体を増幅する背面１１は反射性であってビームを増幅媒体へ向けて反射している。増幅されたビーム６は、方向Ｏｙに発せられて図１ａだけに見ることができる。これらの図面において、ビームを単一光線として表している。

冷却は、流体、液体または気体、あるいは固体により行われる。背面による冷却により、熱交換表面積を増大させることが可能になる。更に、結晶内におけるレーザーの伝搬方向に温度勾配を生成することにより、高い熱抽出を実現することも可能になる。結晶内における温度変化に関連付けられた当該指標の変化は、レーザービームの伝搬方向とほぼ同じ方向に向けられた勾配である。しかしこの場合、従来の方策では起きなかった時間コントラストの問題が生じる。時間コントラストは、主パルスの強度と、当該パルスおよび／または任意の寄生パルスの長さとの比として定義される。

従って、今日においても、冷却および時間コントラストの観点から、上述の全ての要件を同時に満たす増幅装置に対するニーズが依然としてある。

より具体的には、本発明の主題は、多波長パルスレーザービームを増幅する装置であって、
−２個の平坦な面、すなわち増幅対象のいわゆる入射ビームの受光を目的とする前面および反射性の背面を有する屈折率がｎ_１である固体の増幅媒体と、
−背面により増幅媒体を冷却する装置を含んでいる。

当該装置は、媒体の前面が背面に対して第１の非ゼロ傾斜だけ傾いていて、非ゼロの第２の傾斜を間に形成する入力面と出力面を有していて増幅媒体の背面により反射されて前面により屈折されたビーム（すなわち増幅媒体を通過した後で出力側に現れる増幅ビームとも呼ばれるビーム）の経路上にある位置に配置された屈折率がｎ_２の台形プリズムを更に含み、第１および第２の傾斜が、プリズムの出力側で各波長のビームが互いに平行になるように設定されていることを主な特徴とする。

従って、増幅媒体内を伝搬した後で、寄生反射は主パルスから空間的に離され、時間コントラストは寄生反射によりそれ以上低下することがない。

好適には、ｎ_１＞＞（ｎ_１−１）／ν_１であり、ここにν_１は増幅媒体の収斂性である。これは、プリズムの出力側におけるビームの多波長性を維持するためである。

本発明の一特徴によれば、増幅媒体の前面は入射ビームを受光して、いわゆる寄生ビームを反射することを目的とし、プリズムは当該寄生ビームの経路の外側、すなわち寄生ビームが入射ビームから離された増幅媒体から一定の距離に配置されている。

本発明の別の特徴によれば、増幅媒体の前面に反射防止コーティングが施されていてよい。任意選択的に、フィルタスクリーンが、寄生ビームの経路上にあることを意図された位置に配置されている。

増幅媒体は例えば、結晶またはガラスあるいはポリマーである。

増幅対象ビームの平均出力は１０Ｗより大きい。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照しながら、非限定的な例として与える以下の詳細な説明を精査すれば明らかになろう。

従来技術による背面冷却方式のマルチパス増幅装置を模式的に正面図（図１ａ）および上面図（図１ｂ）で示す。 本発明による例示的な背面冷却方式の増幅装置を正面図（図２ａ）、上面図（図２ｂ）および透視図（図２ｃ）として示す。

各図面を通じて、同一要素は同一参照符号により識別される。

プリアンブルに記述した２個の増幅方策において、増幅対象のレーザービームは、一方の側から入射し、他方の側から出射することにより結晶を通過し、寄生ビームは、空気／結晶界面における寄生反射のため、より長い光路に沿って進む。寄生パルス（＝寄生ビーム）が主パルス（＝増幅ビーム）の後で到達するため、プレパルスコントラストは低下しない。

背面冷却方式のレーザー増幅装置は、背面が反射性であるため、結晶の出力面が入力面と同一になるようなビームの屈折を必要とし、すなわち寄生パルス（前面での寄生反射に起因する）が主パルスの前方に位置することを意味し、その結果パルスの時間コントラストが低下する。

この低下を避けるため、空気／結晶界面を変更して主パルスと寄生パルスを離すようにする、すなわち、増幅結晶の入力正面にわずかな角度を付けて、当該入力面を背面に対して傾斜させる。従って、寄生パルスは伝搬した後で、主パルスから空間的に離される。

図１ｂの上面視に相当するが簡潔のためミラーを表示していない図２ｂに見られるように、直径Φの増幅対象ビーム（＝パルス）２が、Ｏｚと直角をなす前面１２に対して平面ｘＯｚ内の入射角θ_ｉで増幅媒体１に到達する。利用ビームは背面１１により反射され、寄生ビーム５（破線）は前面１２により反射され、寄生パルスとも呼ばれる寄生ビームは、当該前面で角度□２θ_ｉだけ屈折される。増幅媒体１内で増幅されたビーム６は主パルスとも呼ばれ、出力側で角度２β^’ _１ｎ_１だけ屈折され、ここにｎ_１は増幅媒体１の屈折率である。

同様に、図１ａの上面視に相当する図２ａに見られるように、直径Φの増幅対象ビーム２が、Ｏｚと直角をなす前面１２に対して平面ｙＯｚ内の入射角φ_ｉで増幅媒体１に到達する。利用ビームは背面１１により反射され、寄生ビーム５（破線）は前面１２により反射され、寄生ビームは、当該前面で角度２φ_ｉだけ屈折される。増幅されたビーム６は、出力側で角度２β’’_１ｎ_１だけ屈折される。これらの図面で、β^’’ _１＝β’_１且つβ’’_２＝β’_２である。

図２ｃは、図２ａ、２ｂの装置の斜視図であって、寄生ビームは示していない。

面１２、１１が平面ｘＯｚ（または平面ｙＯｚ）内で形成する角度β’_１（またはβ’’_１）は、多波長レーザー源に関するため、プリズム効果を生じさせ、増幅媒体１を通過した後で、各々の波長の関数として、主パルス６の角度分離を生じさせる。図２ａ、２ｂおよび２ｃにおいて、２個の波長が示されている。主パルス６と寄生パルス５を分離した後で、当該空間分散を波長の関数として補正すべく、補償プリズム４が主パルス６の経路に追加される。

プリズム４の出力側で、各波長のビームが互いに平行になるように、増幅媒体１の面の角度β’_１（またはβ’’_１）と補償プリズム４の面の角度β’_２（またはβ’’_２）の間に以下の無色化の条件がある。
（２β^’ _１Δｎ_１）＝（β^’ _２Δｎ_２）および／または（２β^’’ _１Δｎ_１）＝（β^’’ _２Δｎ_２）
但し

および

ここにν_ｉは収斂性、λ_ｃは中心波長、□λ_ｍｉｎおよびλ_ｍａｘは入射ビーム２のスペクトル限界、およびｎ_２はプリズム４の屈折率である。

上式において、ビームが大気または真空内で伝播されるものと仮定している。

増幅媒体の前面１２は有利な特徴として反射防止コーティングが施されている。それにもかかわらず残渣が残留することがある。

好適には、プリズム４は、寄生ビーム５と入射ビーム２が空間的に離されている、すなわち互いに重ならない、増幅媒体１から距離Ｌの位置に配置されている。より具体的には、Ｌはプリズムと増幅媒体の距離であり、プリズム１の面１２と直角をなす軸Ｏｚに射影される。

この分離は、Ｌについて次式で得られる。

また好適には、Ｌは、増幅されたビーム６と寄生ビーム５が空間的に離されるように選択されている。平面ｘＯｚを優先的に用いて寄生パルスを「放出」するため、β^’’ _１＝０である。平面ｘＯｚ内の角度β_１の射影β^’ _１はβ_１に等しいのに対し、平面ｙＯｚ内の角度β_１の射影β^’’ _１はゼロである。このため以下の数値例に示すように入射角ゼロ（θ_ｉ＝０）を選択することが可能である。

無論プリズム４は入射ビーム２をマスキングしてはならない。また好適には、Ｌは、増幅されたビーム６、入射ビーム２、および寄生ビーム５が空間的に離されるように選択されている。この分離はＬについて次式で得られる。
Ｌ＞φ／ｔａｎ（２（θ_ｉ＋β^’ _１ｎ_１）またはＬ＞φ／ｔａｎ（２（φ_ｉ＋β^’’ _１ｎ_１）

プリズム４上で、入射ビーム６のスペクトル成分は直径Φ＋ΔΦのスポットを形成する。ΔΦが、プリズム１を通る２重通路内におけるビームの分散により生じ、次いでプリズム１およびプリズム４の出力面１２の間の経路上でのビームの分散により生じる直径の増大を含み、同じ直径Φ＋ΔΦが当該補正プリズム４の出力側で得られる点に注意されたい。出力ビームの多波長性を維持するために、増幅されたビーム６の直径の広がりΔφがφに比べて小さいことが望まれる。

これは次式が成立することによる。

ここで、依然として次式が成立する。

その理由はｎ_１＞＞（ｎ_１−１）／ν_１であるためで、これはΔφ＜＜φを意味する。

この場合、例えばチタンイオンＴｉ３^＋がドープされたサファイヤ結晶で以下が適用される。
λ_ｍｉｎ＝７５０ｎｍ
λ_ｍａｘ＝８５０ｎｍ
ν_１＝２４４
ｎ_１＝１．７６
β_１＝β’_１＝β’’_１＝１°
θ_ｉ＝φ_ｉ＝０°
Ｌ_ｍｉｎ＝Φ／ｔａｎ（２．（θ_ｉ＋β_１ｎ_１））、ここにＬ_ｍｉｎは最短距離Ｌである。

７５０ｎｍ〜８５０ｎｍの帯域にわたり増幅されたビームの広がりは、
Δφ＝Ｌ_ｍｉｎ．ｔａｎ（２β_１Δｎ_１）≒Ｌ_ｍｉｎ．１０^−４
を次式と比較した値を有している。
φ＝Ｌ_ｍｉｎ．ｔａｎ（２．（θ_ｉ＋β_１ｎ_１））≒Ｌ_ｍｉｎ．６．１０^−２

従って以下の値が得られる。
Δφ／φ≒０，１６．１０^−２

補正プリズム４を通過した後では、異なる波長は従って空間的に離れていない。光学機械的マージンを考慮すれば、横方向シフトΔφは、増幅されたビームの直径の１０分の１のオーダーである。Δφ＜＜φであるため、いずれにせよこの現象は無視できる程度である。

増幅対象ビームは、典型的にはＩＲビームであるが、これに限定されない。

上の例で示したように、増幅媒体１は、チタンがドープされたサファイヤ等の結晶、またはＹｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＣａＦ２、あるいはポリマー材料、または固体としてのガラスその他の任意の材料であってよい。プリズム４の材料は、増幅媒体１と同じものであってよく、その場合ｎ_１＝ｎ_２である。

本発明による増幅装置は好適にはマルチパス装置であるが、これに限定されない。

Claims (9)

1. 多波長パルスレーザービーム（２）を増幅する装置であって、
   −２個の平坦な面、すなわち前記増幅対象のいわゆる入射ビーム（２）の受光を目的とする前面（１２）および反射性の背面（１１）を有し、前記前面（１２）が前記背面（１１）に対して第１の非ゼロ傾斜だけ傾いていて屈折率がｎ_１である固体の増幅媒体（１）と、
   −前記背面（１１）により前記増幅媒体（１）を冷却する装置を含み、
   非ゼロの第２の傾斜を間に形成する入力面と出力面を有していて前記増幅媒体（１）の前記背面（１１）により反射されて前記前面（１２）により屈折されたビーム（６）の経路上にある位置に配置された屈折率がｎ_２の台形プリズム（４）を更に含み、前記第１および第２の傾斜が、前記プリズム（４）の出力側で各波長のビームが互いに平行になるように設定されていることを特徴とする装置。
2. 前記増幅媒体の前記前面（１２）が軸Ｏｚと直角をなし、前記第１の傾斜が平面ｙＯｚ上で角度β’_１および平面ｘＯｚ上で角度β’’_１を形成し、前記第２の傾斜が平面ｙＯｚ上で、角度β’_２および平面ｘＯｚ上で角度β’’_２を形成していて、
   ２β’_１．Δｎ_１＝β’_２．ｎ_２且つ２β’’_１．ｎ_１＝β’’_２．ｎ_２
   が成立することを特徴とする、請求項１に記載の多波長パルスレーザービーム増幅装置。
3. ｎ_１＞＞（ｎ_１−１）／ν_１であって、ν_１は前記増幅媒体の収斂性であることを特徴とする、請求項１または２に記載の多波長パルスレーザービーム増幅装置。
4. 前記増幅媒体の前記前面（１２）が前記入射ビーム（２）を受光して、いわゆる寄生ビーム（５）を反射することを目的とし、前記プリズム（４）が前記寄生ビームの経路の外側に配置されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の多波長パルスレーザービーム増幅装置。
5. 前記増幅媒体の前記前面（１２）に反射防止コーティングが施されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の多波長パルスレーザービーム増幅装置。
6. ｎ_１＝ｎ_２であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の多波長パルスレーザービーム増幅装置。
7. 前記増幅媒体の前記前面（１２）により反射された前記ビーム（５）の経路上にあることを意図された位置に配置されたフィルタスクリーンを含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載のマルチスペクトルパルスレーザービーム増幅装置。
8. 前記増幅媒体（１）が結晶またはガラスあるいはポリマーであることを特徴とする、請求項１〜７いずれか１項に記載のマルチスペクトルパルスレーザービーム増幅装置。
9. １パルス当たりのエネルギーが１ｍＪより大きく、平均出力が１０Ｗより大きいことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載のマルチスペクトルパルスレーザービーム増幅装置。

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