JP4574953B2

JP4574953B2 - Pulse compression apparatus and pulse compression method

Info

Publication number: JP4574953B2
Application number: JP2003117233A
Authority: JP
Inventors: 英次吉田; 朗藤ノ木; 正大中塚; 尚徳藤田
Original assignee: Shin Etsu Quartz Products Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Quartz Products Co Ltd
Priority date: 2003-04-22
Filing date: 2003-04-22
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2023-04-22
Also published as: JP2004325584A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はパルス幅０．１ｎ秒〜１０ｎ秒のレーザー光に対するパルス圧縮装置に関し、特に、Ｑスイッチレーザーにおけるｎ秒（ｎ秒：１０^−９秒）オーダーのパルス幅を有するレーザー光、例えばＮｄ−ＹＡＧレーザーのパルス幅を効率良く圧縮して、数１０ｐ秒（ｐ秒：１０^−１２秒）〜約１ｎ秒のパルス幅を有し、レーザー加工機、レーザーアブレーション用の光源等として有益に用いられる短パルスレーザー光を容易に製造することができるパルス圧縮装置及び該パルス圧縮装置を用いたパルス圧縮方法に関する。
【０００２】
【関連技術】
近年、レーザー光を用いた加工技術においてパルス幅がｐ秒〜ｆ秒（ｆ秒：１０^−１５秒）といった非常に短いパルス幅のレーザーを用いた加工技術が注目されつつある。その理由として、パルス幅が非常に短いため、エネルギーの尖頭値が非常に高いことから、レーザー加工に伴う、熱の影響を排除することが出来、プラスチックのように熱に対して弱い物品の加工が可能となること、逆にセラミクスのように耐熱性の非常に高い素材に対しての加工が可能であること、ガラスのように通常のレーザー光に対して透明な素材に対する加工が可能であること、また、非常に微細な加工が可能であること等が挙げられる。
【０００３】
しかしながら、パルス幅が１ｎ秒以下の超短パルスレーザー光は通常のＱスイッチレーザーでは得ることが困難であり、直接変調（得られるパルス幅は２０ｐ秒程度まで）、モード同期等の方法によりパルス圧縮を行わなければならない。
またこのような方法による場合、大出力のレーザー光を得ることは困難である。
モード同期による超短パルスレーザーの代表的なものにチタンサファイアレーザーにおけるカーレンズモード同期（ＫＬＭ）があり、パルス幅１０ｆ秒程度の超短パルスレーザー光が得られている。
【０００４】
このパルス幅がｆ秒オーダーのレーザー光を用いることにより、通常のパルス幅のレーザーでは観察されなかった様々な現象が観察され、単にレーザー加工に留まらず、現在のレーザー光応用研究の最先端分野を形成している。しかしながら、ｆ秒のレーザー光は、出力が小さい上、まだまだ非常にコストが高いうえ、加工に必要な光学系を構成する光学素子に対するダメージも強烈であるため光学系の寿命が著しく短いし、安定化が困難であるといった技術的な問題も抱えている。
【０００５】
一方で、パルス幅が数１０ｐ秒〜数１００ｐ秒の領域における大出力のレーザー光はこれまで有効な作成手段がなかったために、ｆ秒レーザー光のパルス幅をわざわざ広げて使用するといった非効率的な方法が取られてきた。しかし、この場合でも、出力が弱く、増幅する場合でも出力の制限があって、実用的ではなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、従来、大出力超短パルスレーザーとしては空白領域であった、数１０ｐ秒〜約１ｎ秒のパルス幅を、通常のＱスイッチレーザー光をパルス圧縮することにより安価に達成することができるパルス圧縮装置及び該パルス圧縮装置を用いて容易に短パルスレーザー光を得ることができるパルス圧縮方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題を解決する為に鋭意検討を重ねた結果、誘導ブリルアン散乱に伴う後方散乱光と入射光との相互作用によるパルス圧縮効果を利用して、従来達成が困難であった数１０ｐ秒〜約１ｎ秒のパルス幅を有する大出力のレーザー光を得ることが出来ることを見出した。
【０００８】
即ち、誘導ブリルアン散乱光を得る為の位相共役鏡と位相共役鏡内部に光を集光する集光手段を有し、入射光と出射光を有効に分離する手段を組み合わせることにより、簡便にレーザー光をパルス圧縮し、かつその圧縮された光を取り出すことが出来る。
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明のパルス圧縮装置の基本的構成は、パルス幅０．１ｎ秒〜１０ｎ秒のレーザー光に対するパルス圧縮装置であって、レーザー光の光軸上、入射光の進行方向に沿って、ビームスプリッター、偏光子、集光レンズ、位相共役鏡を配置し、かつ位相差板が該偏光子と該集光レンズの間又は該集光レンズと該位相共役鏡の間に配置されており、かつ該位相共役鏡がレーザー光の波長に対する吸光係数が１×１０^−２／ｃｍ以下の固体媒質からなるものである。
【００１０】
位相共役鏡には媒質によりそれぞれ気体位相共役鏡、液体位相共役鏡、固体位相共役鏡の種類があるが、本発明においては装置構成の簡便さ、安定性から固体位相共役鏡を選択し、かつ、位相共役鏡を構成する媒質は高出力を得る為に用いるレーザー光に対する吸光係数が１×１０^−２／ｃｍ以下、好ましくは１×１０^−３／ｃｍ以下の高い透過率を有する媒質を選択する必要がある。
【００１１】
広い波長範囲の光に対して高い透過率を有し、かつ高いレーザー耐久性を示す材料としては、石英ガラス、特に合成石英ガラスを媒質として位相共役鏡を構成することが好ましい。
【００１２】
また、本装置による圧縮後の理論上の最小パルス幅の逆数１／τ_Ｂは入射レーザー光のパルス幅τ_Ｐ及び波長λの逆数の二乗に比例する為（下記式（３）参照）、入射レーザー光のパルス幅は短いほうが好ましい。しかしながら、入射パルス幅が短くなると実際のパルス圧縮効率が低下する為に、入射レーザー光のパルス幅は１００ｐ秒〜１０ｎ秒、好ましくは５００ｐ秒〜１０ｎ秒である。
【００１３】
【数３】
１／τ_Ｂ＝Ａτ_Ｐ／λ^２・・・・・・（３）
（上記式（３）において、Ａは定数である。）
【００１４】
上記ビームスプリッター及び上記偏光子がブルースタープリズム及び該ブルースタープリズム上に製膜された誘電体多層膜偏光子であり、上記位相差板が１／４波長板であることが好適である。
【００１５】
本発明のパルス圧縮装置において増幅用セルが挿入されていない場合、上記集光レンズの焦点が上記位相共役鏡の内部に存在し、かつ前記位相共役鏡におけるレーザー光の入射面から焦点までの距離をＬ（ｍ）、光速をＣ（ｍ／秒）、入射レーザー光のパルス幅をτ_Ｐ（秒）、上記位相共役鏡の媒質のレーザー光に対する屈折率をｎとしたとき、下記式（１）が成立することが必要である。
【００１６】
【数４】
Ｌ≧Ｃτ_Ｐ／２ｎ・・・・・・（１）
【００１７】
上記偏光子と上記集光レンズの間に上記位相共役鏡と同じ媒質から構成される増幅用セルが挿入されていることが好ましい。
【００１８】
本発明のパルス圧縮装置において増幅用セルが挿入されている場合、上記集光レンズの焦点が上記位相共役鏡の内部に存在し、かつ上記位相共役鏡におけるレーザー光の入射面から焦点までの距離をＬ_１（ｍ）、上記増幅用セルの長さをＬ_２（ｍ）、光速をＣ（ｍ／秒）、入射レーザー光のパルス幅をτ_Ｐ（秒）、上記位相共役鏡の媒質のレーザー光に対する屈折率をｎとしたとき、下記式（２）が成立することが必要である。
【００１９】
【数５】
Ｌ_１＋Ｌ_２≧Ｃτ_Ｐ／２ｎ・・・・・・（２）
【００２０】
上記偏光子と上記集光レンズの間にレーザー波長に対する透過率が１％〜８０％の減衰器が挿入されていることが好適である。
【００２１】
上記偏光子と上記集光レンズの間にビーム拡張器が挿入されていることが好ましい。
【００２２】
本発明の多段パルス圧縮装置は、本発明のパルス圧縮装置を複数台並設し、パルス圧縮を多段に行うことができるようにしたことを特徴とする。
【００２３】
本発明のパルス圧縮方法は、本発明のパルス圧縮装置を用いてパルス圧縮を行うことを特徴とする。
【００２４】
本発明の多段パルス圧縮方法は、本発明の多段パルス圧縮装置を用いてパルス圧縮を多段に行うことを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明するが、これらの実施の形態は例示的に示されるもので、本発明の技術思想から逸脱しない限り種々の変形が可能であることはいうまでもない。
【００２６】
図１は、本発明のパルス圧縮装置の第１の実施の形態を示す概略説明図である。図１において、符号１００ａは本発明のパルス圧縮装置で、レーザー光の光軸上に入射レーザー光１０の進行方向に沿って配置されたビームスプリッター１２、偏光子１４、位相差板１６、集光レンズ１８、及び位相共役鏡２０を有している。
【００２７】
図１の構成において、ビームスプリッター１２としてブルースタープリズム、偏光子１４として誘電体多層膜偏光子、位相差板１６として１／４波長板を用いる場合について以下に説明する。また、入射レーザー光１０は通常のＱスイッチレーザー光、例えばＮｄ−ＹＡＧレーザーの第２高調波（波長５３２ｎｍ、パルス幅１０ｎ秒）を用いることができる。この入射レーザー光１０をブルースター面に誘電体多層膜偏光子１４をのせたブルースタープリズム１２に垂直に入射することにより、直線偏光化する。直線偏光化されたレーザー光１０は、１／４波長板１６を透過することで円偏光化され、集光レンズ１８により位相共役鏡２０内に焦点を結ぶように集光される。位相共役鏡２０内で誘導ブリルアン散乱により位相反転及び反射された後方散乱光（反射光）との相互作用によりレーザー光は１００ｐ秒〜１ｎ秒オーダーにパルス圧縮される。
【００２８】
位相共役鏡２０による反射レーザー光は集光レンズ１８により平行光となり、１／４波長板１６により入射レーザー光とは偏光角が９０度回転した直線偏光となり、ブルースタープリズム１２により反射され出射レーザー光２２として出射する。
【００２９】
上記したこれらの光学素子は同一光軸上に配置されることが必要である。また、図１に示した構成では、位相差板（１／４波長板）１６は偏光子１４と集光レンズ１８の間に置かれているが、集光レンズ１８と位相共役鏡２０の間に配置しても同様の作用効果を達成することができる。
【００３０】
更に、図１ではビームスプリッター１２及び偏光子１４としてブルースタープリズム及び誘電体多層膜偏光子を例示しているが、使用波長に耐性があり、十分な偏光特性が得られるのであれば、通常の偏光ビームスプリッターでも使用可能である。
【００３１】
本発明のパルス圧縮装置においては、ビームスプリッター及び偏光子として立方体の対角面断面に偏光子を挟み込んだキューブ状偏光ビームスプリッターを用いることも可能であり、その場合の構成例を図２に示した。図２は本発明のパルス圧縮装置の第２の実施の形態を示す概略説明図である。図２において図１と同一又は類似部材は同一符号で示されている。
【００３２】
図２において、符号１００ｂは本発明のパルス圧縮装置であり、図１に示したビームスプリッター１２及び偏光子１４の替わりに、立方体の対角面断面に偏光子１４を挟み込んだキューブ状偏光ビームスプリッター２４を有しているが、その他の構成は図１と同様である。図２の構成の場合、出射レーザー光２２が入射レーザー光１０の光路に対して垂直に取り出せるため、装置構成上は都合の良いことが多い。但し、パルス圧縮によりレーザー尖頭値がかなり高くなるので、高出力レーザーの場合には耐久性の点に鑑みて、図１に示すようにブルースタープリズム上に誘電体多層膜偏光子を用いた偏光ビームスプリッターが好ましい。
【００３３】
また、図１及び図２では位相差板１６として最も簡便な１／４波長板を示しているが、ファラデー回転子、ロションプリズム、フネレル・ロム等を用いて同様の効果を得ることが出来る。但し、フレネル・ロムを用いる場合には入射光軸と出射光軸にずれが生じるために光学部品の配置に注意が必要である。
【００３４】
本発明のパルス圧縮装置によると、パルス圧縮によるレーザーエネルギーの損失は位相共役鏡の反射率によって決定されるが、位相共役鏡２０では反射率が３０％からほぼ１００％まで、広いレンジで調整することが可能で、高反射率を選択することにより実質的にほとんど損失のないパルス圧縮も可能である。
【００３５】
更に、パルス圧縮することにより、圧縮後のパルスの尖頭値がパルス圧縮幅に対応して高くなるため、非常に高いエネルギー強度を有するレーザー光を得ることが出来る。
【００３６】
また、位相共役鏡２０を用いることにより、パルス圧縮と同時に位相整合も行われるために、得られた出射レーザー光２２は、パルス圧縮装置に用いられる光学素子の不均質による波面の乱れが相殺され、基本的に入射レーザー光１０と同等品質の位相が揃ったレーザー光が得られることも本発明のパルス圧縮装置の特徴のひとつである。
【００３７】
本発明において、パルス圧縮は誘導ブリルアン散乱による後方散乱光（反射光）と進行レーザー光との相互作用により生じるために、相互作用長が非常に重要な要素である。相互作用長ｄ（ｍ）は光速をＣ（ｍ／秒）、入射レーザー光１０のパルス幅τ_Ｐ（秒）、位相共役鏡２０の媒質のレーザー光に対する屈折率をｎとして、下記式（４）で表される。
【００３８】
【数６】
ｄ＝Ｃτ_Ｐ／２ｎ・・・・・・（４）
【００３９】
しかし、図１に示される位相共役鏡２０を用いる場合には、レンズの焦点距離ｆ（ｍ）、及び位相共役鏡２０におけるレーザー光の入射面から焦点までの距離Ｌ（ｍ）は、下記式（５）の関係を満たさなくてはならない。従って、位相共役鏡２０の長さもＬ（ｍ）より長くなければならない。
【００４０】
【数７】
ｆ＞Ｌ≧ｄ＝Ｃτ_Ｐ／２ｎ・・・・・・（５）
【００４１】
例えば、τ_Ｐ＝１０ｎ秒、波長５３２ｎｍのＮｄ−ＹＡＧレーザーの第２高調波を用い、位相共役鏡媒質を合成石英ガラス（５３２ｎｍに対する屈折率ｎ＝１．４６０６６）とする場合、相互作用長ｄは１．０２７ｍとなり、位相共役鏡の長さはこれ以上必要となる。
【００４２】
このように長い長さの位相共役鏡を用意することは非常に大変であり、仮にダメージが入った場合、取替えのコストが大きいので、後述するように位相共役鏡と共に増幅器を用いることにより、そのような負荷を低減することが可能である。
【００４３】
パルス圧縮の効果としてパルス幅が縮まることによりレーザー光のエネルギーの尖頭値が非常に高くなることが上げられる。即ち、レーザーの輝度が著しく高くなり、極めて高エネルギー強度のビームを得ることが出来るようになる。
【００４４】
別の見方をすると、パルス圧縮装置には、このような高エネルギーのレーザー光が透過するために、装置を構成する光学部品には十分な耐久性を確保することが極めて重要である。
【００４５】
特に位相共役鏡においては、レーザービームが絞り込まれて作用するために、極めて高いレーザー耐久性が要求されるので、レーザー光に対する透過性と耐久性に優れた合成石英ガラスを用いることが必要である。
【００４６】
その他の光学材料に関しても、位相差板のように光学結晶を用いなくてはならない部分を除き、光学用合成石英ガラスを加工した光学部材を用いることが好ましい。
【００４７】
このように光学部品に合成石英ガラスを用いても、レーザーエネルギーによって光学部品が損傷を生じるような高エネルギーパルスを発生したい場合、装置構成を工夫して光学部品の損傷を低減することが可能である。
【００４８】
以下に、増幅用セル及び減衰器を用いてビームエネルギーを低減させる例を示す。図３は本発明のパルス圧縮装置の第３の実施の形態を示す概略説明図である。図３において図１と同一又は類似部材は同一符号で示されている。図３において、符号１００ｃは本発明のパルス圧縮装置であり、その基本構造は図１に示したパルス圧縮装置１００ａと殆ど変わらないが、図３に示したパルス圧縮装置１００ｃにおいては位相差板１６と集光レンズ１８の間に増幅用セル２６及び減衰器（アッテネーター）２８が追加配置されている点で図１の構成とは異なる。
【００４９】
図３における増幅用セル２６は主として位相共役鏡２０ａの長さの低減と負荷低減のために用いられる。即ち、図１の構成においては位相共役鏡２０による反射光と入射光との相互作用は全て位相共役鏡２０の内部で生じるが、図３においては増幅用セル２６を用いることにより、相互作用を位相共役鏡（誘導ブリルアン散乱による後方散乱光発生用セル）２０ａと増幅用セル２６に分割して生じさせることが出来る。別の見方をすると、図３においては、増幅用セル２６と誘導ブリルアン散乱による後方散乱光発生用セル２０ａの２つが全体として図１における１つの位相共役鏡２０と考えることも出来る。
【００５０】
増幅用セル２６を用いることにより、図１における上記式（５）の位相共役鏡２０におけるレーザー光の入射面から焦点までの距離Ｌを、図３の構成における位相共役鏡２０ａにおける距離Ｌ_１と増幅用セル長Ｌ_２に分割することが出来るために、ダメージを受けやすい位相共役鏡（誘導ブリルアン散乱による後方散乱光発生用セル）を小さくすることが可能で、また位相共役鏡がダメージにより劣化した場合、その部分のみを交換することでパルス圧縮装置として再使用することが出来る。即ち、図３の構成の場合には下記式（６）を満たせば良い。
【００５１】
【数８】
Ｌ_１＋Ｌ_２≧ｄ＝Ｃτ_Ｐ／２ｎ・・・・・・（６）
【００５２】
この場合、増幅器２６を構成する媒質はレーザー照射により生じるフォノンの物性値が位相共役鏡２０ａにより生じるフォノンの物性値と同一の方が好ましいので、位相共役鏡と同媒質のものであることが好ましい。
【００５３】
更に、増幅用セル２６の出射側に減衰器２８を用いることにより、位相共役鏡２０ａのエネルギー的な負荷を軽減し、位相共役鏡２０ａのダメージを低減することが可能である。原則的に誘導ブリルアン散乱による後方散乱光発生用セルとして見た場合、位相共役鏡２０ａには誘導ブリルアン散乱による後方散乱光を発生する光強度しか必要ないので、減衰器２８には透過率１％〜８０％、好ましくは透過率５％〜２０％の範囲の吸収板を用いる。透過率が高すぎると減衰器２８としての効果が小さいし、透過率が低すぎると光吸収により減衰器２８のダメージが甚だしい。
【００５４】
透過率Ｔ％の減衰器２８を用いた場合、反射光強度は（Ｔ／１００）^２で減衰するが、増幅用セル２６内部においては進行してくる入射レーザー光１０は減衰器２８の影響を受けずに反射光と相互作用するために、パルス圧縮された反射光の強度はそれほど低減することはない。
【００５５】
また、図３では増幅用セル２６と減衰器２８を同時に用いたパルス圧縮装置を示しているが、増幅用セル２６も減衰器２８も独立して機能するので、それぞれを単独で図１に示される基本形に付加することで、それぞれの機能を発揮することが可能である。即ち、図１に増幅用セル２６を単独で付加すれば位相共役鏡２０の長さを短くすることが出来るし、減衰器２８を単独で集光レンズ１８の前又は後に付加すれば位相共役鏡２０のダメージを低減することが可能である。但し、増幅用セル２６がない場合には減衰器２８によるエネルギー低下の影響が直接出るために出力は（Ｔ／１００）で低減する。尚、いずれの場合にも位相差板１６は偏光子１４と位相共役鏡２０間のいずれかの部位に挿入すれば良い。
【００５６】
本発明のパルス圧縮装置においては、ビームエクスパンダーを用いることも可能であり、その場合の構成例を図４に示した。図４は本発明のパルス圧縮装置の第４の実施の形態を示す概略説明図である。図４において図３と同一又は類似部材は同一符号で示されている。
【００５７】
図４において、符号１００ｄは本発明のパルス圧縮装置で、図３の構成において、位相差板１６と増幅用セル２６との間にビームエクスパンダー３０が配置されかつ減衰器２８が省略されており、その他の構成は図３と同様である。図４ではビームエクスパンダー３０としては、凹凸レンズの組み合わせによる、いわゆるケプラータイプのビームエクスパンダーが示されているが、凸凸レンズの組み合わせであるガリレオタイプのビームエクスパンダーでも構わない。図４の構成の場合はビームエクスパンダー３０によりレーザービームの面積を拡大させることによって光学部品内を透過するレーザービームのエネルギー密度を低減させることにより、光学部品のレーザーダメージを低減する工夫がなされている。
【００５８】
上述した本発明のパルス圧縮装置を用いて１回又は複数回のパルス圧縮を行うことが可能である。後述する実施例１及び２に示すように、本発明のパルス圧縮装置を用いて１回パルス圧縮を行っても良く、また、本発明のパルス圧縮装置を複数台並べて多段にパルス圧縮を行うことも可能である。
【００５９】
本発明のパルス圧縮装置を２台並べて多段にパルス圧縮を行う場合の例を図５に示した。図５は、本発明の多段パルス圧縮装置の１つの実施の形態を示す概略説明図である。図５において図１と同一又は類似部材は同一符号で示されている。図５に示した如く、図１に示した本発明のパルス圧縮装置１００ａと同様の構成のパルス圧縮装置を２台並べ、第１のパルス圧縮装置１００ａ１の出射レーザー光２２をそのまま第２のパルス圧縮装置１００ａ２に導入することにより二段階のパルス圧縮を行って、最初のレーザー光１０の数十分の一という高圧縮率のパルス圧縮を行うことができる。従って、多段パルス圧縮を行うことにより、数１０ｐ秒〜数１００ｐ秒のパルス幅を有する短パルスレーザー光を得ることが可能である。
【００６０】
なお、図５では、同じ構成からなる２台の本発明のパルス圧縮装置１００ａ１，１００ａ２を用いた場合の例を示したが、例えば図１のパルス圧縮装置１００ａと図２〜図４の１００ｂ〜１００ｄとを用いるように、構成の異なる本発明のパルス圧縮装置を組み合わせることもできる。また、本発明のパルス圧縮装置及び従来のパルス圧縮装置を組み合わせることも可能である。さらに、必要に応じて３台以上パルス圧縮装置を組み合わせることも勿論可能である。
【００６１】
本発明のパルス圧縮装置のパルス圧縮におけるエネルギーロスは基本的に位相共役鏡の反射率で決まるが、位相共役鏡の反射率は３０％〜約１００％と高いために、多段パルス圧縮を行っても高い出射エネルギーを得られることも本発明のパルス圧縮装置の特徴の一つである。
【００６２】
上記した本発明のパルス圧縮装置に入射する入射レーザー光１０は、公知のレーザー発振手段により発振し、必要に応じてエネルギー調整及び波長変換を行えばよいが、以下に公知のレーザー発振手段等と図１に示した本発明のパルス圧縮装置１００ａを組み合わせた場合の構成例を図６によって説明する。図６において図１と同一又は類似部材は同一符号で示される。
【００６３】
図６において、符号５０は入射レーザー光の発振装置で、レーザー発振手段３２を有している。該レーザー発振手段３２としては、例えば、ＱスイッチＮｄ−ＹＡＧレーザーが用いられる。レーザー発振手段３２によって発振されたレーザー光１０ａは、１／２波長板（エネルギー調整用）３４、偏光子１４ｂ、及び波長変換用光学結晶、例えば、ＫＤＰ（ＫＨ_２ＰＯ_４）結晶３６ａ，３６ｂを経由して第３高調波（波長３５５ｎｍ）に波長変換される。上記１／２波長板３４又は偏光子１４ｂを回転させることにより、レーザーの入射エネルギーは調整可能とされている。
【００６４】
なお、図６は第３高調波に波長変換をする場合を示してあり、第３高調波（波長３５５ｎｍ）を発振させる場合にはＫＤＰ結晶を２個使用する必要があるが、第２高調波（波長５３２ｎｍ）を発振させる場合にはＫＤＰ結晶を１個使用すればよく、第２高調波を発振させる場合には図６の２個のＫＤＰ結晶３６ａ，３６ｂの内の１個を削除すればよい。
【００６５】
また、上記波長変換用光学結晶３６ａ，３６ｂとしては、ＫＤＰ結晶の他に、例えば、ＢＢＯ（ＢａＢ_２Ｏ_４）、ＬＢＯ（ＬｉＢ_３Ｏ_５）、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ_４）等の非線形光学結晶を用いることもできる。
【００６６】
上述した如く、波長変換したレーザー光１０ａを第１反射ミラー３８ａ及び第２反射ミラー３８ｂによって反射させ、図６に示したように、入射レーザー光１０として本発明のパルス圧縮装置１００ａに入射する。パルス圧縮装置１００ａに入射される入射レーザー光１０はパルス圧縮された後、出射レーザー光２２として出射されることは図１によって既に説明した通りであり、再度の説明は省略する。
【００６７】
続いて、上記した公知のレーザー発振手段等と図３に示した本発明のパルス圧縮装置１００ｃを組み合わせた場合の構成例を図７に示した。図７において図３及び図６と同一又は類似部材は同一符号で示される。図７において入射レーザー光の発振装置５０の構成は図６によって説明し、パルス圧縮装置１００ｃの構成は図３によって説明した通りである。即ち、パルス圧縮装置１００ｃに入射される入射レーザー光１０はパルス圧縮された後、出射レーザー光２２として出射されることは図３によって既に説明した通りであり、再度の説明は省略する。
【００６８】
【実施例】
以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、これらの実施例は例示的に示されるもので限定的に解釈されるべきでないことはいうまでもない。
【００６９】
（実施例１）
本実施例においては図６と同様の構成の装置（Ｉ）を用いた。即ち、本実施例で用いたパルス圧縮装置１００ａは、ビームスプリッター１２，偏光子１４，位相差板１６，集光レンズ１８及び位相共役鏡２０を有している。このパルス圧縮装置１００ａにおいて、ビームスプリッター１２はブルースタープリズム（合成石英ガラス製）、偏光子１４は誘電体偏光子、位相差板１６は１／４波長板を用いた。また、位相共役鏡２０は、合成石英ガラス製であり、波長５３２ｎｍ及び３５５ｎｍの光に対する吸光係数がいずれも１×１０^−４／ｃｍ以下であるものを用いた。集光レンズ１８は、合成石英ガラス製であり、位相共役鏡２０と同じ媒質のものを用いた。
【００７０】
このパルス圧縮装置１００ａにおいて、位相共役鏡２０の長さは１２００ｍｍであり、集光レンズ１８の焦点距離ｆは１０００ｍｍであった。波長５３２ｎｍ及び波長３５５ｎｍの光に対する合成石英ガラスの屈折率はそれぞれ１．４６０６６及び１．４７６０７であり、相互作用長ｄはそれぞれ８２．２ｃｍ及び８１．３ｃｍである。位相共役鏡２０におけるレーザー光の入射面から焦点までの距離Ｌは、波長５３２ｎｍの場合８２．２ｃｍ、波長３５５ｎｍの場合８１．３ｃｍであった。即ち、ｆ＞Ｌ＝ｄであり、前記式（５）を満たしていた。
【００７１】
また、レーザー発振手段３２としては、ＱスイッチＮｄ−ＹＡＧレーザー（波長１０６４ｎｍ）を用い、パルス幅８ｎ秒、出力５００ｍＪで発振し、１／２波長板３４（エネルギー調整用）、偏光子１４ｂ、及びＫＤＰ（ＫＨ_２ＰＯ_４）結晶３６ａ，３６ｂを経由して第３高調波（波長３５５ｎｍ）に波長変換した。また、ＫＤＰ結晶３６ｂを削除した以外は第３高調波の場合と同様にして、第２高調波（波長５３２ｎｍ）に波長変換した。
【００７２】
波長変換したレーザー光１０ａ（ビーム経８ｍｍ、第２及び第３高調波）を第１反射ミラー３８ａ及び第２反射ミラー３８ｂを用いてパルス圧縮装置１００ａに導入し、出射レーザー光２２のパルス幅及び出力を測定した。パルス幅の測定には高速ピンダイオードの出力を１０ＧＨｚ帯域のオシロスコープにて波形観測して求め、出力エネルギーはパワーメータを用いて測定した。なお、測定は第２高調波及び第３高調波についてそれぞれ３回行い、その測定結果を実施例１−１，１−２，１−３，１−４，１−５及び１−６として表１に示した。
【００７３】
【表１】

【００７４】
表１に示した如く、実施例１ではパルス幅８ｎ秒の第２高調波を用いて、パルス幅０．８〜１ｎ秒、出射強度３１．２５〜８０ＭＷ（ＭＷ：１０^８ワット）という高出力の短パルスレーザー光を、パルス幅８ｎ秒の第３高調波を用いて、パルス幅０．８〜０．９ｎ秒、出射強度３５．７〜１００ＭＷという高出力の短パルスレーザー光をそれぞれ得ることが出来た。また、位相共役鏡の反射率は全て５０％以上と良好であった。
【００７５】
（実施例２）
本実施例においては図７と同様の構成の装置（ＩＩ）を用いた。即ち、本実施例で用いたパルス圧縮装置１００ｃは、ビームスプリッター１２，偏光子１４，位相差板１６，増幅用セル２６，減衰器２８，集光レンズ１８及び位相共役鏡２０を有している。
【００７６】
本実施例で用いた装置は、増幅用セル２６及び減衰器２８を挿入し、集光レンズ１８の焦点距離ｆを５００ｍｍ、位相共役鏡の長さを７００ｍｍとした以外は、実施例１で用いた装置と同様である。なお、増幅用セル２６は、セル長Ｌ_２＝１０００ｍｍ、合成石英ガラス製であり、位相共役鏡の媒質と同じものを用いた。減衰器２８は透過率５０％のものを用いた。
【００７７】
上記パルス圧縮装置１００ｃにおいて、波長５３２ｎｍの場合相互作用長ｄ＝８２．２ｃｍ、波長３５５ｎｍの場合相互作用長ｄ＝８１．３ｃｍであり、位相共役鏡２０におけるレーザー光の入射面から焦点までの距離Ｌ_１は、いずれの波長においても約４００ｍｍであった。即ち、Ｌ_１＋Ｌ_２＝約１４００ｍｍ＞ｄであり、前記式（６）を満たしていた。
【００７８】
実施例１と同様にパルス圧縮装置１００ｃにレーザー光１０を導入し、出射レーザー光２２のパルス幅，位相共役鏡における反射率及び出力を測定した。なお、測定は第２高調波について２回、及び第３高調波について３回行い、その測定結果を実施例２−１，２−２，２−３，２−４及び２−５として表１に示した。
【００７９】
表１に示した如く、実施例２ではパルス幅８ｎ秒の第２高調波を用いて、パルス幅０．８ｎ秒、出射強度３１．２５〜６２．５ＭＷ（ＭＷ：１０^８ワット）という高出力の短パルスレーザー光を、パルス幅８ｎ秒の第３高調波を用いて、パルス幅０．７〜０．９ｎ秒、出射強度５１．４〜１７７．３ＭＷという高出力の短パルスレーザー光をそれぞれ得ることが出来た。また、位相共役鏡の反射率は全て５０％以上と良好であった。
【００８０】
（実施例３）
実施例１で圧縮したレーザー光の二段パルス圧縮を行った。これは図５に示したように、本発明のパルス圧縮装置によりパルス圧縮されたレーザー光を再度、別のパルス圧縮装置を用いて圧縮するものである。二段のパルス圧縮を行う場合、入射パルス幅が短い為、圧縮効率は一段のパルス圧縮の約半分程度に低下するものの、得られるパルス幅は１００ｐ秒程度で非常に強度の大きなレーザー光を得ることができる。
【００８１】
本実施例では、上記実施例１の装置（Ｉ）のパルス圧縮装置（図６における１００ａ、即ち図５における１００ａ１）によりパルス圧縮したレーザー光を、このパルス圧縮装置と同構成のもう一台のパルス圧縮装置（図５における１００ａ２）に導入してパルス二段圧縮を行った。実施例３−１，３−２，３−３及び３−４はそれぞれ実施例１−１、１−２、１−５及び１−６で得られた出射レーザー光２２を入射レーザー光としてパルス圧縮装置１００ａ２に導入してパルス圧縮を行い、パルス圧縮装置１００ａ２より得られた出射レーザー光のパルス幅、位相共役鏡における反射率及び出力を実施例１と同様に測定した。結果を表２に示す。
【００８２】
【表２】

【００８３】
表２に示した如く、実施例３においては最短パルス幅９０ｐ秒、出射強度１６７ＭＷを達成したほか、パルス幅は１１０ｐ秒であるが、出射強度５８２ＭＷという超高出力を達成した。また、位相共役鏡の反射率は全て５０％以上と良好であった。
【００８４】
上記実施例１〜３で得られたこれらの出力は、短パルスレーザーとして注目されているチタンサファイアレーザー（パルス幅１００ｆ秒）の一般的な出力０．１ＭＷに比較して、１０００倍〜５０００倍以上の高出力値である。また、本実施例と同様の条件でモードロックレーザー（パルス幅０．５ｎ秒）を波長変換した場合、得られる出力は４０ＭＷ程度で、本発明のパルス圧縮装置による出力の１／４〜１／１５程度である。
【００８５】
【発明の効果】
上述した如く、本発明のパルス圧縮装置によれば、従来、大出力超短パルスレーザーとしては空白領域であった、数１０ｐ秒〜約１ｎ秒のパルス幅を、通常のＱスイッチレーザー光をパルス圧縮することにより安価に達成することができる。本発明のパルス圧縮方法によれば、本発明のパルス圧縮装置を用いて数１０ｐ秒〜約１ｎ秒のパルス幅を有する短パルスレーザー光を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のパルス圧縮装置の第１の実施の形態を示す概略説明図である。
【図２】本発明のパルス圧縮装置の第２の実施の形態を示す概略説明図である。
【図３】本発明のパルス圧縮装置の第３の実施の形態を示す概略説明図である。
【図４】本発明のパルス圧縮装置の第４の実施の形態を示す概略説明図である。
【図５】本発明の多段パルス圧縮装置の１つの実施の形態を示す概略説明図である。
【図６】入射レーザー光の発振装置と本発明のパルス圧縮装置の第１の実施の形態を組み合わせた場合の１つの構成例を示す概略説明図である。
【図７】入射レーザー光の発振装置と本発明のパルス圧縮装置の第３の実施の形態を組み合わせた場合の１つの構成例を示す概略説明図である。
【符号の説明】
１００ａ，１００ａ１，１００ａ２，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ：パルス圧縮装置、１０，１０ａ：入射レーザー光、１２：ビームスプリッター、１４，１４ｂ：偏光子、１６：位相差板、１８：集光レンズ、２０，２０ａ：位相共役鏡、２２，２２ａ：出射レーザー光、２４：キューブ状偏光ビームスプリッター、２６：増幅用セル、２８：減衰器、３０：ビーム拡張器、３２：レーザー発振手段、３４：１／２波長板、３６ａ，３６ｂ：ＫＤＰ結晶、３８ａ：第１反射ミラー，３８ｂ：第２反射ミラー、５０：入射レーザー光の発振装置。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention has a pulse width of 0.1 ns to10The present invention relates to a pulse compression apparatus for laser light of n seconds, and in particular, n seconds (n seconds: 10 in a Q switch laser)^-9A laser beam having a pulse width of the order of seconds), for example, a pulse width of an Nd-YAG laser is efficiently compressed to be several tens of p seconds (p seconds: 10).^-12Second) to approximately 1 ns, and a pulse compression device capable of easily producing a short pulse laser beam useful as a laser processing machine, a laser ablation light source, and the like, and the pulse compression device are used. The present invention relates to a pulse compression method.
[0002]
[Related technologies]
In recent years, in processing technology using laser light, the pulse width is p seconds to f seconds (f seconds: 10 seconds).^-15Processing technology using a laser with a very short pulse width (second) has been attracting attention. The reason is that because the pulse width is very short and the peak value of energy is very high, the effects of heat associated with laser processing can be eliminated, and plastics that are vulnerable to heat, such as plastic, It is possible to process, conversely, it is possible to process materials with extremely high heat resistance such as ceramics, and it is possible to process materials that are transparent to ordinary laser light such as glass. And the fact that very fine processing is possible.
[0003]
However, it is difficult to obtain ultrashort pulsed laser light with a pulse width of 1 ns or less with a normal Q-switched laser, and pulse compression is performed by methods such as direct modulation (up to about 20 psec) and mode synchronization Must be done.
In addition, when such a method is used, it is difficult to obtain a high-power laser beam.
A typical example of a mode-locked ultrashort pulse laser is a car lens mode lock (KLM) in a titanium sapphire laser, and an ultrashort pulse laser beam having a pulse width of about 10 fs is obtained.
[0004]
By using a laser beam with a pulse width of the order of f seconds, various phenomena that were not observed with a normal laser with a pulse width were observed. Is forming. However, the laser light of f seconds has a small output, is still very expensive, and damage to the optical elements constituting the optical system necessary for processing is so strong that the life of the optical system is extremely short and stable. There is also a technical problem that it is difficult to implement.
[0005]
On the other hand, since there has been no effective means for producing high-power laser light in the region of several tens of ps to several hundreds of ps, the inefficiency of using the pulse width of f-second laser light is increased. The various methods have been taken. However, even in this case, the output is weak, and even in the case of amplification, the output is limited, which is not practical.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The object of the present invention is to achieve a pulse width of several tens of p seconds to about 1 n seconds, which has conventionally been a blank area as a high-power ultrashort pulse laser, by inexpensively compressing a normal Q-switched laser beam. It is an object of the present invention to provide a pulse compression apparatus that can perform the above and a pulse compression method that can easily obtain a short pulse laser beam using the pulse compression apparatus.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies in order to solve the above problems, the present inventors have made it difficult to achieve the conventional technique by utilizing the pulse compression effect due to the interaction between the backscattered light and incident light accompanying the stimulated Brillouin scattering. It has been found that a high-power laser beam having a pulse width of several tens of p seconds to about 1 n seconds can be obtained.
[0008]
That is, a laser can be easily obtained by combining a phase conjugate mirror for obtaining stimulated Brillouin scattered light and a condensing means for condensing the light inside the phase conjugate mirror, and a means for effectively separating incident light and outgoing light. Light can be pulse-compressed and the compressed light can be extracted.
[0009]
  In order to solve the above problems, the pulse compression apparatus of the present inventionBasic configurationIs a pulse width of 0.1 ns to10A pulse compression device for n-second laser light, which includes a beam splitter, a polarizer, a condenser lens, a phase conjugate mirror, and a phase difference plate on the optical axis of the laser light along the traveling direction of incident light Is disposed between the polarizer and the condenser lens or between the condenser lens and the phase conjugate mirror, and the phase conjugate mirror has an extinction coefficient of 1 × 10 with respect to the wavelength of the laser beam.^-2/ Cm or less solid mediumIs.
[0010]
There are various types of phase conjugate mirrors, gas phase conjugate mirror, liquid phase conjugate mirror, and solid phase conjugate mirror, depending on the medium, but in the present invention, the solid phase conjugate mirror is selected from the simplicity and stability of the device configuration, and The medium constituting the phase conjugate mirror has an extinction coefficient of 1 × 10 for the laser beam used to obtain a high output.^-2/ Cm or less, preferably 1 × 10^-3It is necessary to select a medium having a high transmittance of less than / cm.
[0011]
As a material having a high transmittance with respect to light in a wide wavelength range and a high laser durability, it is preferable to form a phase conjugate mirror using quartz glass, particularly synthetic quartz glass as a medium.
[0012]
  Also, the inverse 1 / τ of the theoretical minimum pulse width after compression by this device_BIs the pulse width τ of the incident laser beam_PAnd the pulse width of the incident laser light is preferably shorter because it is proportional to the square of the reciprocal of the wavelength λ (see the following formula (3)). However, since the actual pulse compression efficiency is reduced when the incident pulse width is shortened, the pulse width of the incident laser light is 100 psec or more.10n seconds, preferably from 500p seconds10n seconds.
[0013]
[Equation 3]
1 / τ_B= Aτ_P/ Λ²(3)
(In the above formula (3), A is a constant.)
[0014]
Preferably, the beam splitter and the polarizer are a Brewster prism and a dielectric multilayer polarizer formed on the Brewster prism, and the retardation plate is a quarter wavelength plate.
[0015]
When the amplification cell is not inserted in the pulse compression device of the present invention, the focal point of the condenser lens exists in the phase conjugate mirror, and the distance from the laser light incident surface to the focal point in the phase conjugate mirror Is L (m), the speed of light is C (m / sec), the pulse width of the incident laser light is τ_P(Seconds) When the refractive index of the medium of the phase conjugate mirror with respect to the laser beam is n, it is necessary to satisfy the following formula (1).
[0016]
[Expression 4]
L ≧ Cτ_P/ 2n (1)
[0017]
It is preferable that an amplification cell composed of the same medium as the phase conjugate mirror is inserted between the polarizer and the condenser lens.
[0018]
When an amplifying cell is inserted in the pulse compression device of the present invention, the focal point of the condenser lens is inside the phase conjugate mirror, and the distance from the laser light incident surface to the focal point in the phase conjugate mirror L₁(M), the length of the amplification cell is L₂(M), the speed of light is C (m / sec), the pulse width of the incident laser light is τ_P(Seconds) When the refractive index of the medium of the phase conjugate mirror with respect to the laser beam is n, it is necessary to satisfy the following formula (2).
[0019]
[Equation 5]
L₁+ L₂≧ Cτ_P/ 2n (2)
[0020]
It is preferable that an attenuator having a transmittance of 1% to 80% with respect to the laser wavelength is inserted between the polarizer and the condenser lens.
[0021]
A beam expander is preferably inserted between the polarizer and the condenser lens.
[0022]
The multistage pulse compression apparatus of the present invention is characterized in that a plurality of pulse compression apparatuses of the present invention are arranged in parallel so that pulse compression can be performed in multiple stages.
[0023]
The pulse compression method of the present invention is characterized by performing pulse compression using the pulse compression apparatus of the present invention.
[0024]
The multistage pulse compression method of the present invention is characterized in that pulse compression is performed in multiple stages using the multistage pulse compression apparatus of the present invention.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings, but these embodiments are exemplarily shown, and various modifications can be made without departing from the technical idea of the present invention. Needless to say.
[0026]
FIG. 1 is a schematic explanatory view showing a first embodiment of the pulse compression apparatus of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 100a denotes a pulse compression apparatus according to the present invention, which is a beam splitter 12, a polarizer 14, a phase difference plate 16, and a condensing beam arranged on the optical axis of the laser light along the traveling direction of the incident laser light 10. A lens 18 and a phase conjugate mirror 20 are included.
[0027]
In the configuration shown in FIG. 1, a case where a Brewster prism is used as the beam splitter 12, a dielectric multilayer polarizer is used as the polarizer 14, and a quarter wavelength plate is used as the retardation plate 16 will be described below. The incident laser beam 10 may be a normal Q-switched laser beam, for example, a second harmonic of a Nd-YAG laser (wavelength 532 nm, pulse width 10 nsec). The incident laser beam 10 is linearly polarized by being incident perpendicularly on a Brewster prism 12 having a dielectric multilayer polarizer 14 placed on a Brewster surface. The linearly polarized laser beam 10 is circularly polarized by transmitting through the quarter-wave plate 16, and is condensed by the condenser lens 18 so as to be focused in the phase conjugate mirror 20. The laser light is pulse-compressed in the order of 100 psec to 1 nsec by the interaction with the backscattered light (reflected light) that is phase-reversed and reflected by the stimulated Brillouin scattering in the phase conjugate mirror 20.
[0028]
The reflected laser light from the phase conjugate mirror 20 is converted into parallel light by the condenser lens 18, and the quarter-wave plate 16 becomes linearly polarized light whose polarization angle is rotated by 90 degrees by the quarter wavelength plate 16, and is reflected by the Brewster prism 12 and is emitted. The light 22 is emitted.
[0029]
These optical elements described above must be arranged on the same optical axis. In the configuration shown in FIG. 1, the phase difference plate (¼ wavelength plate) 16 is placed between the polarizer 14 and the condenser lens 18, but between the condenser lens 18 and the phase conjugate mirror 20. Even if it arrange | positions in, it can achieve the same effect.
[0030]
Further, in FIG. 1, a Brewster prism and a dielectric multilayer film polarizer are illustrated as the beam splitter 12 and the polarizer 14. However, as long as they are resistant to the wavelength used and sufficient polarization characteristics can be obtained, A polarizing beam splitter can also be used.
[0031]
In the pulse compression device of the present invention, it is also possible to use a cube-shaped polarization beam splitter in which a polarizer is sandwiched between diagonal cross sections of a cube as a beam splitter and a polarizer, and a configuration example in that case is shown in FIG. It was. FIG. 2 is a schematic explanatory view showing a second embodiment of the pulse compression apparatus of the present invention. 2, the same or similar members as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.
[0032]
2, reference numeral 100b denotes a pulse compression apparatus according to the present invention. Instead of the beam splitter 12 and the polarizer 14 shown in FIG. 1, a cube-shaped polarizing beam splitter in which the polarizer 14 is sandwiched between the diagonal cross sections of a cube. 24, but the other configurations are the same as those in FIG. In the case of the configuration of FIG. 2, since the emitted laser beam 22 can be extracted perpendicularly to the optical path of the incident laser beam 10, it is often convenient in terms of the apparatus configuration. However, since the laser peak value is considerably increased by pulse compression, in the case of a high power laser, in view of durability, a dielectric multilayer film polarizer is used on a Brewster prism as shown in FIG. A polarizing beam splitter is preferred.
[0033]
1 and 2 show the simplest quarter-wave plate as the phase difference plate 16, but the same effect can be obtained by using a Faraday rotator, a Lotion prism, Funnerel-Rom or the like. . However, when using Fresnel Rom, there is a difference between the incident optical axis and the outgoing optical axis, so care must be taken in the arrangement of optical components.
[0034]
According to the pulse compression apparatus of the present invention, the loss of laser energy due to pulse compression is determined by the reflectivity of the phase conjugate mirror, but the reflectivity of the phase conjugate mirror 20 is adjusted in a wide range from 30% to almost 100%. It is possible to achieve pulse compression with virtually no loss by selecting a high reflectivity.
[0035]
Further, by performing pulse compression, the peak value of the pulse after compression becomes higher corresponding to the pulse compression width, so that laser light having a very high energy intensity can be obtained.
[0036]
In addition, since phase matching is performed simultaneously with pulse compression by using the phase conjugate mirror 20, the obtained outgoing laser light 22 cancels out wavefront disturbance due to inhomogeneity of optical elements used in the pulse compression apparatus. It is one of the features of the pulse compression device of the present invention that a laser beam having basically the same quality as that of the incident laser beam 10 can be obtained.
[0037]
In the present invention, since the pulse compression is caused by the interaction between the backscattered light (reflected light) by the stimulated Brillouin scattering and the traveling laser light, the interaction length is a very important factor. The interaction length d (m) is the light speed C (m / sec) and the pulse width τ of the incident laser beam 10._P(Seconds), where n is the refractive index of the medium of the phase conjugate mirror 20 with respect to the laser beam, and is expressed by the following formula (4).
[0038]
[Formula 6]
d = Cτ_P/ 2n (4)
[0039]
However, when the phase conjugate mirror 20 shown in FIG. 1 is used, the focal length f (m) of the lens and the distance L (m) from the laser light incident surface to the focal point in the phase conjugate mirror 20 are expressed by the following equations. The relationship (5) must be satisfied. Therefore, the length of the phase conjugate mirror 20 must be longer than L (m).
[0040]
[Expression 7]
f> L ≧ d = Cτ_P/ 2n (5)
[0041]
For example, τ_PWhen the second harmonic of an Nd-YAG laser with a wavelength of 532 nm is used for 10 nsec and the phase conjugate mirror medium is a synthetic silica glass (refractive index n = 1.46066 with respect to 532 nm), the interaction length d is 1.027 m. Therefore, the length of the phase conjugate mirror is further required.
[0042]
It is very difficult to prepare a phase conjugate mirror with such a long length, and if there is damage, the cost of replacement is high, so by using an amplifier with a phase conjugate mirror as described later, Such a load can be reduced.
[0043]
As a result of the pulse compression, the peak value of the energy of the laser beam becomes very high by reducing the pulse width. That is, the brightness of the laser is remarkably increased, and a beam having an extremely high energy intensity can be obtained.
[0044]
From another point of view, since such a high-energy laser beam is transmitted to the pulse compression apparatus, it is extremely important to ensure sufficient durability for the optical components constituting the apparatus.
[0045]
In particular, in a phase conjugate mirror, since the laser beam is focused and acts, extremely high laser durability is required. Therefore, it is necessary to use synthetic quartz glass excellent in laser light transmission and durability. .
[0046]
Regarding other optical materials, it is preferable to use an optical member obtained by processing optical synthetic quartz glass, except for a portion where an optical crystal must be used, such as a retardation plate.
[0047]
In this way, even if synthetic quartz glass is used for the optical component, it is possible to reduce the damage to the optical component by devising the device configuration if it is desired to generate a high energy pulse that causes the optical component to be damaged by the laser energy. is there.
[0048]
Hereinafter, an example in which beam energy is reduced using an amplifying cell and an attenuator will be described. FIG. 3 is a schematic explanatory view showing a third embodiment of the pulse compression apparatus of the present invention. 3, the same or similar members as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. In FIG. 3, reference numeral 100c denotes the pulse compression device of the present invention, and its basic structure is almost the same as that of the pulse compression device 100a shown in FIG. 1, but in the pulse compression device 100c shown in FIG. 1 is different from the configuration of FIG. 1 in that an amplifying cell 26 and an attenuator (attenuator) 28 are additionally arranged between the condenser lens 18 and the condenser lens 18.
[0049]
The amplification cell 26 in FIG. 3 is mainly used for reducing the length of the phase conjugate mirror 20a and reducing the load. That is, in the configuration of FIG. 1, all the interaction between the reflected light and the incident light by the phase conjugate mirror 20 occurs inside the phase conjugate mirror 20, but in FIG. 3, the interaction is achieved by using the amplification cell 26. The phase conjugate mirror (cell for generating backscattered light by stimulated Brillouin scattering) 20a and the amplifying cell 26 can be divided and generated. From another point of view, in FIG. 3, the two cells, the amplification cell 26 and the cell 20a for generating backscattered light by stimulated Brillouin scattering, can be considered as one phase conjugate mirror 20 in FIG.
[0050]
By using the amplification cell 26, the distance L from the incident surface of the laser beam to the focal point in the phase conjugate mirror 20 of the above formula (5) in FIG. 1 is set to the distance L in the phase conjugate mirror 20a in the configuration of FIG.₁And cell length L for amplification₂The phase conjugate mirror (cell for generating backscattered light by stimulated Brillouin scattering) that is susceptible to damage can be made smaller, and if the phase conjugate mirror deteriorates due to damage, only that part Can be reused as a pulse compression device. That is, in the case of the configuration of FIG. 3, the following equation (6) may be satisfied.
[0051]
[Equation 8]
L₁+ L₂≧ d = Cτ_P/ 2n (6)
[0052]
In this case, the medium constituting the amplifier 26 is preferably the same medium as the phase conjugate mirror because the physical value of the phonon generated by laser irradiation is preferably the same as the physical value of the phonon generated by the phase conjugate mirror 20a. .
[0053]
Further, by using the attenuator 28 on the output side of the amplification cell 26, it is possible to reduce the energy load of the phase conjugate mirror 20a and reduce the damage to the phase conjugate mirror 20a. In principle, when viewed as a cell for generating backscattered light by stimulated Brillouin scattering, the phase conjugate mirror 20a only needs light intensity for generating backscattered light by stimulated Brillouin scattering, and thus the attenuator 28 has a transmittance of 1%. An absorbing plate having a transmittance of -80%, preferably a transmittance of 5% to 20% is used. If the transmittance is too high, the effect as the attenuator 28 is small, and if the transmittance is too low, the attenuator 28 is severely damaged by light absorption.
[0054]
When the attenuator 28 having a transmittance T% is used, the reflected light intensity is (T / 100).²However, since the incident laser light 10 traveling inside the amplification cell 26 interacts with the reflected light without being influenced by the attenuator 28, the intensity of the pulse-compressed reflected light is reduced so much. Never do.
[0055]
Further, FIG. 3 shows a pulse compression device using the amplifying cell 26 and the attenuator 28 at the same time. However, since the amplifying cell 26 and the attenuator 28 function independently, each of them is shown in FIG. By adding to the basic form, it is possible to demonstrate each function. That is, the length of the phase conjugate mirror 20 can be shortened by adding the amplification cell 26 alone in FIG. 1, and the phase conjugate mirror can be obtained by adding the attenuator 28 alone before or after the condenser lens 18. It is possible to reduce 20 damage. However, when there is no amplifying cell 26, the output is reduced by (T / 100) because of the direct effect of energy reduction by the attenuator 28. In any case, the phase difference plate 16 may be inserted in any part between the polarizer 14 and the phase conjugate mirror 20.
[0056]
In the pulse compression apparatus of the present invention, a beam expander can be used, and a configuration example in that case is shown in FIG. FIG. 4 is a schematic explanatory view showing a fourth embodiment of the pulse compression apparatus of the present invention. 4, the same or similar members as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals.
[0057]
4, reference numeral 100d denotes a pulse compression apparatus according to the present invention. In the configuration of FIG. 3, a beam expander 30 is disposed between the phase difference plate 16 and the amplification cell 26, and the attenuator 28 is omitted. Other configurations are the same as those in FIG. In FIG. 4, as the beam expander 30, a so-called Kepler type beam expander is shown which is a combination of concave and convex lenses, but a Galileo type beam expander which is a combination of convex and convex lenses may be used. In the case of the configuration of FIG. 4, the beam expander 30 expands the area of the laser beam to reduce the energy density of the laser beam that passes through the optical component, thereby reducing the laser damage of the optical component. Yes.
[0058]
One or more times of pulse compression can be performed using the above-described pulse compression device of the present invention. As shown in Examples 1 and 2 to be described later, pulse compression may be performed once using the pulse compression device of the present invention, and multiple pulse compression devices of the present invention are arranged side by side to perform pulse compression in multiple stages. Is also possible.
[0059]
FIG. 5 shows an example in which two pulse compression apparatuses of the present invention are arranged side by side to perform pulse compression in multiple stages. FIG. 5 is a schematic explanatory view showing one embodiment of the multistage pulse compression apparatus of the present invention. 5, the same or similar members as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. As shown in FIG. 5, two pulse compression devices having the same configuration as the pulse compression device 100a of the present invention shown in FIG. 1 are arranged, and the emitted laser light 22 of the first pulse compression device 100a1 is used as it is as the second pulse. By introducing it into the compression apparatus 100a2, two-stage pulse compression can be performed, and pulse compression with a high compression ratio of several tenths of the first laser beam 10 can be performed. Therefore, it is possible to obtain a short pulse laser beam having a pulse width of several tens of ps to several hundreds of ps by performing multistage pulse compression.
[0060]
5 shows an example in which two pulse compression apparatuses 100a1 and 100a2 of the present invention having the same configuration are used. For example, the pulse compression apparatus 100a in FIG. 1 and 100b in FIGS. It is also possible to combine the pulse compression apparatuses of the present invention having different configurations so that 100d is used. It is also possible to combine the pulse compression device of the present invention and the conventional pulse compression device. Furthermore, it is of course possible to combine three or more pulse compression devices as necessary.
[0061]
The energy loss in the pulse compression of the pulse compression apparatus of the present invention is basically determined by the reflectivity of the phase conjugate mirror, but since the reflectivity of the phase conjugate mirror is as high as 30% to about 100%, multistage pulse compression is performed. It is also one of the features of the pulse compression device of the present invention that high emission energy can be obtained.
[0062]
The incident laser beam 10 incident on the above-described pulse compression apparatus of the present invention may be oscillated by a known laser oscillation means, and energy adjustment and wavelength conversion may be performed as necessary. A configuration example when the pulse compression device 100a of the present invention shown in FIG. 1 is combined will be described with reference to FIG. In FIG. 6, the same or similar members as those in FIG.
[0063]
In FIG. 6, reference numeral 50 denotes an oscillation device for incident laser light, which has laser oscillation means 32. As the laser oscillation means 32, for example, a Q switch Nd-YAG laser is used. The laser beam 10a oscillated by the laser oscillation means 32 is a half-wave plate (for energy adjustment) 34, a polarizer 14b, and a wavelength conversion optical crystal, for example, KDP (KH₂PO₄) The wavelength is converted to the third harmonic (wavelength 355 nm) via the

crystals

36a and 36b. The incident energy of the laser can be adjusted by rotating the half-wave plate 34 or the polarizer 14b.
[0064]
FIG. 6 shows a case where wavelength conversion is performed on the third harmonic. When the third harmonic (wavelength 355 nm) is oscillated, two KDP crystals must be used. When oscillating (wavelength of 532 nm), one KDP crystal may be used. When oscillating the second harmonic, one of the two

KDP crystals

36a and 36b in FIG. 6 may be deleted. Good.
[0065]
Further, as the wavelength conversion

optical crystals

36a and 36b, in addition to the KDP crystal, for example, BBO (BaB₂O₄), LBO (LiB₃O₅), CLBO (CsLiB₆O₁₀), KTP (KTiOPO₄) Etc. can also be used.
[0066]
As described above, the wavelength-converted laser beam 10a is reflected by the first reflection mirror 38a and the second reflection mirror 38b, and enters the pulse compression device 100a of the present invention as the incident laser beam 10 as shown in FIG. The incident laser beam 10 incident on the pulse compression apparatus 100a is pulse-compressed and then emitted as the emitted laser beam 22, as already described with reference to FIG.
[0067]
Next, FIG. 7 shows a configuration example in the case where the above-described known laser oscillation means and the like and the pulse compression apparatus 100c of the present invention shown in FIG. 3 are combined. 7, the same or similar members as those in FIGS. 3 and 6 are denoted by the same reference numerals. In FIG. 7, the configuration of the oscillation device 50 for incident laser light is described with reference to FIG. 6, and the configuration of the pulse compression device 100c is as described with reference to FIG. That is, the incident laser beam 10 incident on the pulse compression device 100c is pulse-compressed and then emitted as the emitted laser beam 22, as already described with reference to FIG.
[0068]
【Example】
Examples of the present invention will be specifically described below, but it is needless to say that these examples are illustrative and should not be construed in a limited manner.
[0069]
Example 1
In this embodiment, the apparatus (I) having the same configuration as that of FIG. 6 is used. That is, the pulse compression device 100a used in this embodiment includes a beam splitter 12, a polarizer 14, a phase difference plate 16, a condensing lens 18, and a phase conjugate mirror 20. In this pulse compression apparatus 100a, the beam splitter 12 is a Brewster prism (made of synthetic quartz glass), the polarizer 14 is a dielectric polarizer, and the retardation plate 16 is a quarter wavelength plate. The phase conjugate mirror 20 is made of synthetic quartz glass, and has an extinction coefficient of 1 × 10 for light having wavelengths of 532 nm and 355 nm.^-4/ Cm or less was used. The condensing lens 18 was made of synthetic quartz glass and used the same medium as the phase conjugate mirror 20.
[0070]
In this pulse compression apparatus 100a, the length of the phase conjugate mirror 20 was 1200 mm, and the focal length f of the condenser lens 18 was 1000 mm. The refractive index of the synthetic quartz glass with respect to light having a wavelength of 532 nm and a wavelength of 355 nm is 1.46066 and 1.47607, respectively, and the interaction length d is 82.2 cm and 81.3 cm, respectively. The distance L from the laser light incident surface to the focal point in the phase conjugate mirror 20 was 82.2 cm at a wavelength of 532 nm and 81.3 cm at a wavelength of 355 nm. That is, f> L = d, and the formula (5) was satisfied.
[0071]
As the laser oscillation means 32, a Q-switched Nd-YAG laser (wavelength 1064 nm) is used, oscillates with a pulse width of 8 ns and an output of 500 mJ, a half-wave plate 34 (for energy adjustment), a polarizer 14b, KDP (KH₂PO₄) The wavelength was converted to the third harmonic (wavelength 355 nm) via the

crystals

36a and 36b. Further, the wavelength was converted to the second harmonic (wavelength 532 nm) in the same manner as in the case of the third harmonic except that the KDP crystal 36b was deleted.
[0072]
The wavelength-converted laser beam 10a (beam length: 8 mm, second and third harmonics) is introduced into the pulse compression device 100a using the first reflection mirror 38a and the second reflection mirror 38b, and the pulse width of the emitted laser beam 22 and The output was measured. For measurement of the pulse width, the output of the high-speed pin diode was obtained by observing the waveform with a 10 GHz band oscilloscope, and the output energy was measured using a power meter. The measurement was performed three times for the second harmonic and the third harmonic, and the measurement results are shown as Examples 1-1, 1-2, 1-3, 1-4, 1-5, and 1-6. It was shown in 1.
[0073]
[Table 1]

[0074]
As shown in Table 1, in Example 1, the second harmonic wave having a pulse width of 8 ns was used, the pulse width was 0.8 to 1 ns, the emission intensity was 31.25 to 80 MW (MW: 10⁸A high-power short-pulse laser with a pulse width of 0.8 to 0.9 nsec and an output intensity of 35.7 to 100 MW using a third-harmonic wave with a pulse width of 8 nsec. I was able to get each light. Further, the reflectivities of the phase conjugate mirrors were all good at 50% or more.
[0075]
(Example 2)
In this embodiment, the apparatus (II) having the same configuration as that shown in FIG. 7 was used. That is, the pulse compression device 100c used in this embodiment includes a beam splitter 12, a polarizer 14, a phase difference plate 16, an amplification cell 26, an attenuator 28, a condenser lens 18, and a phase conjugate mirror 20. .
[0076]
The apparatus used in this example is the same as that used in Example 1 except that the amplification cell 26 and the attenuator 28 are inserted, the focal length f of the condenser lens 18 is 500 mm, and the length of the phase conjugate mirror is 700 mm. It is the same as the device that was used. The amplification cell 26 has a cell length L₂= 1000 mm, made of synthetic quartz glass, and the same medium as the phase conjugate mirror was used. The attenuator 28 used has a transmittance of 50%.
[0077]
In the pulse compression apparatus 100c, the interaction length d = 82.2 cm when the wavelength is 532 nm, and the interaction length d = 81.3 cm when the wavelength is 355 nm, and the distance from the laser light incident surface to the focal point in the phase conjugate mirror 20 L₁Was about 400 mm at any wavelength. That is, L₁+ L₂= About 1400 mm> d, and the formula (6) was satisfied.
[0078]
Similarly to Example 1, the laser beam 10 was introduced into the pulse compression apparatus 100c, and the pulse width of the emitted laser beam 22, the reflectance at the phase conjugate mirror, and the output were measured. The measurement was performed twice for the second harmonic and three times for the third harmonic, and the measurement results are shown in Table 1 as Examples 2-1, 2-2, 2-3, 2-4, and 2-5. It was shown to.
[0079]
As shown in Table 1, in Example 2, the second harmonic wave having a pulse width of 8 ns was used, the pulse width was 0.8 ns, the emission intensity was 31.25 to 62.5 MW (MW: 10⁸A high-power short pulse laser beam (Watt) using a third harmonic wave with a pulse width of 8 ns, a short pulse of 0.7-0.9 ns, and an output intensity of 51.4-177.3 MW. Each pulsed laser beam could be obtained. Further, the reflectivities of the phase conjugate mirrors were all good at 50% or more.
[0080]
(Example 3)
Two-stage pulse compression of the laser light compressed in Example 1 was performed. As shown in FIG. 5, the laser light pulse-compressed by the pulse compression apparatus of the present invention is compressed again using another pulse compression apparatus. When performing two-stage pulse compression, since the incident pulse width is short, the compression efficiency is reduced to about half that of one-stage pulse compression. However, the obtained pulse width is about 100 psec, and a very high intensity laser beam is obtained. be able to.
[0081]
In this embodiment, the laser light pulse-compressed by the pulse compression device (100a in FIG. 6, ie, 100a1 in FIG. 5) of the device (I) of the first embodiment is used as another unit having the same configuration as this pulse compression device. This was introduced into a pulse compression apparatus (100a2 in FIG. 5) to perform pulse two-stage compression. In Examples 3-1, 3-2, 3-3, and 3-4, the emitted laser light 22 obtained in Examples 1-1, 1-2, 1-5, and 1-6 was used as the incident laser light, respectively. The sample was introduced into the compression device 100a2 and subjected to pulse compression, and the pulse width of the emitted laser light obtained from the pulse compression device 100a2, the reflectance at the phase conjugate mirror, and the output were measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 2.
[0082]
[Table 2]

[0083]
As shown in Table 2, in Example 3, the shortest pulse width of 90 psec and the emission intensity of 167 MW were achieved, and the pulse width was 110 psec, but the output intensity of 582 MW was achieved. Further, the reflectivities of the phase conjugate mirrors were all good at 50% or more.
[0084]
These outputs obtained in Examples 1 to 3 are 1000 times to 5000 times as compared with a typical output of 0.1 MW of a titanium sapphire laser (pulse width: 100 fsec) which is attracting attention as a short pulse laser. The above high output value. Further, when the wavelength of a mode-locked laser (pulse width 0.5 nsec) is converted under the same conditions as in this embodiment, the output obtained is about 40 MW, which is 1/4 to 1/1 of the output by the pulse compression apparatus of the present invention. About 15.
[0085]
【The invention's effect】
As described above, according to the pulse compression apparatus of the present invention, a pulse width of several tens of p seconds to about 1 n seconds, which is conventionally a blank area as a high-power ultrashort pulse laser, is pulsed with a normal Q-switched laser beam. It can be achieved inexpensively by compressing. According to the pulse compression method of the present invention, a short pulse laser beam having a pulse width of several tens of p seconds to about 1 n seconds can be easily manufactured using the pulse compression apparatus of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic explanatory view showing a first embodiment of a pulse compression apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a schematic explanatory view showing a second embodiment of the pulse compression apparatus of the present invention.
FIG. 3 is a schematic explanatory view showing a third embodiment of the pulse compression apparatus of the present invention.
FIG. 4 is a schematic explanatory view showing a fourth embodiment of the pulse compression apparatus of the present invention.
FIG. 5 is a schematic explanatory view showing one embodiment of the multistage pulse compression device of the present invention.
FIG. 6 is a schematic explanatory diagram showing one configuration example in the case of combining the oscillation device for incident laser light and the first embodiment of the pulse compression device of the present invention.
FIG. 7 is a schematic explanatory diagram showing one configuration example in the case of combining an oscillation device for incident laser light and a third embodiment of a pulse compression device of the present invention.
[Explanation of symbols]
100a, 100a1, 100a2, 100b, 100c, 100d: pulse compression device, 10, 10a: incident laser beam, 12: beam splitter, 14, 14b: polarizer, 16: phase difference plate, 18: condenser lens, 20, 20a: phase conjugate mirror, 22, 22a: outgoing laser beam, 24: cube-shaped polarization beam splitter, 26: amplifying cell, 28: attenuator, 30: beam expander, 32: laser oscillation means, 34: 1/2 Wave plate, 36a, 36b: KDP crystal, 38a: first reflecting mirror, 38b: second reflecting mirror, 50: oscillation device for incident laser light.

Claims

A pulse compression device for laser light having a pulse width of 0.1 to 10 nsec, which is from a beam splitter, a polarizer, a condensing lens, and quartz glass along the traveling direction of incident light on the optical axis of the laser light. And a phase difference plate is arranged between the polarizer and the condenser lens or between the condenser lens and the phase conjugate mirror, and the phase conjugate mirror extinction coefficient for the wavelength Ri Do the following solid medium 1 × 10 -2 ^{/ cm,} be the beam splitter and the polarizer is formed into a film on a Brewster prism and the Brewster prism dielectric multilayer film polarizers The retardation plate is a quarter-wave plate;
The focal point of the condensing lens is inside the phase conjugate mirror, the distance from the laser light incident surface to the focal point in the phase conjugate mirror is L (m), the speed of light is C (m / second), and the incident laser The pulse compression apparatus according to claim 1, wherein the following equation (1) is established, where the pulse width of light is τ _P (seconds) and the refractive index of the medium of the phase conjugate mirror with respect to laser light is n .
[Expression 1]
L ≧ Cτ _P / 2n (1)

A pulse compression device for laser light having a pulse width of 0.1 to 10 nsec, which is from a beam splitter, a polarizer, a condensing lens, and quartz glass along the traveling direction of incident light on the optical axis of the laser light. And a phase difference plate is arranged between the polarizer and the condenser lens or between the condenser lens and the phase conjugate mirror, and the phase conjugate mirror extinction coefficient for the wavelength Ri Do the following solid medium 1 × 10 -2 ^{/ cm,} be the beam splitter and the polarizer is formed into a film on a Brewster prism and the Brewster prism dielectric multilayer film polarizers The retardation plate is a ¼ wavelength plate, an amplification cell composed of the same medium as the phase conjugate mirror is inserted between the polarizer and the condenser lens, and the focal point of the condenser lens is The phase Exist inside the lens, and the distance L ₁ from the incident surface of the laser beam in the phase conjugate mirror to a focal point _(m), the amplification cell of the length L _{2 (m),} the speed of light C (m / Second), the pulse width of the incident laser light is τ _P (seconds), and the refractive index of the medium of the phase conjugate mirror with respect to the laser light is n, the following equation (2) is established: .
[Expression 2]
L ₁ + L ₂ ≧ Cτ _P / 2n (2)

The pulse compression device according to claim 1 or 2, wherein an attenuator having a transmittance of 1% to 80% with respect to a laser wavelength is inserted between the polarizer and the condenser lens.

Pulse compression device according to any one of claims 1-3, characterized in that the beam expander is inserted between the condenser lens and the polarizer.

A multistage pulse compression apparatus comprising a plurality of the pulse compression apparatuses according to any one of claims 1 to 4 arranged in parallel so that pulse compression can be performed in multiple stages.

A pulse compression method comprising performing pulse compression using the pulse compression device according to any one of claims 1 to 4 .

6. A multistage pulse compression method, wherein the multistage pulse compression apparatus according to claim 5 is used to perform pulse compression in multiple stages.