JP4870457B2 - Pulse width compression method and apparatus for short pulse laser light and hollow waveguide - Google Patents
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Description
本発明は、短パルスレーザー光のパルス幅圧縮方法およびその装置ならびに中空導波路に関し、さらに詳細には、パルス幅がおよそ１０フェムト秒（１０−１４秒）台から１００フェムト秒（１０−１３秒）台の短パルスレーザー光のパルス幅を圧縮する際に用いて有効である短パルスレーザー光のパルス幅圧縮方法およびその装置ならびに中空導波路に関し、例えば、Ｘ線顕微鏡の光源となる軟Ｘ線コヒーレント光を発生させるために必要となる励起用レーザーを高強度化・短パルス化させたり、あるいは、アブレーション作用を利用した難加工物質の加工において各種波長のレーザー光を短パルス化させたり、あるいは、超高速化学反応による新材料創成において高強度短パルスレーザー光を利用したりするなどの際に用いて好適な短パルスレーザー光のパルス幅圧縮方法およびその装置ならびに中空導波路に関するものであり、特に、エネルギーの高い高強度フェムト秒レーザー光などの高強度短パルスレーザー光のパルス幅の圧縮に用いて好適な短パルスレーザー光のパルス幅圧縮方法およびその装置ならびに中空導波路に関する。 The present invention relates to a method and apparatus for compressing a pulse width of a short pulse laser beam, and a hollow waveguide. More specifically, the present invention relates to a pulse width ranging from about 10 femtoseconds (10 −14 seconds) to 100 femtoseconds (10 −13 seconds). ) A method and apparatus for compressing a pulse width of a short pulse laser beam which is effective when compressing the pulse width of a short pulse laser beam on a table, an apparatus therefor, and a hollow waveguide, for example, a soft X-ray used as a light source of an X-ray microscope Increasing the intensity and shortening of the excitation laser required to generate coherent light, or shortening the laser light of various wavelengths in processing difficult-to-process materials using the ablation action, or Suitable for use in high-intensity short-pulse laser light, etc., in the creation of new materials by ultrafast chemical reactions The present invention relates to a pulse width compression method and apparatus for a laser beam and a hollow waveguide, and is particularly suitable for use in compressing the pulse width of a high-intensity short pulse laser beam such as a high-intensity femtosecond laser beam having high energy. The present invention relates to a pulse width compression method and apparatus for pulsed laser light, and a hollow waveguide.
なお、本明細書において「高強度短パルスレーザー光」とは、例えば、エネルギーが１ｍＪ〜１Ｊ程度のものを意味するものとする。 In the present specification, “high intensity short pulse laser beam” means, for example, one having an energy of about 1 mJ to 1 J.
従来より、チタンサファイアレーザーをはじめとする高強度短パルスレーザー光を利用する過程においては、そのパルス幅を圧縮する技術が重要な地位を占めている。 Conventionally, in the process of using a high-intensity short pulse laser beam such as a titanium sapphire laser, a technology for compressing the pulse width has occupied an important position.
即ち、およそ１０フェムト秒台から１００フェムト秒台のパルス幅を持つ短パルスレーザー光は、パルス幅に反比例した広いスペクトル幅を有することが必要条件であり、短パルスレーザー光のパルス幅を１０フェムト秒以下に圧縮するには、スペクトルの広帯域化と幅広いスペクトルの各波長成分の位相を制御する分散補償技術とが必要とされている。 That is, a short pulse laser beam having a pulse width of about 10 femtoseconds to about 100 femtoseconds is required to have a wide spectrum width inversely proportional to the pulse width, and the pulse width of the short pulse laser light is set to 10 femtoseconds. In order to compress to less than a second, a spectrum broadening and a dispersion compensation technique for controlling the phase of each wavelength component in a wide spectrum are required.
このため、上記したように、短パルスレーザー光のパルス幅圧縮の手段として、様々な技術が提案されており、例えば、各種のガスを封入した円筒形状の中空ファイバーに短パルスレーザー光を入射して、中空ファイバー内の伝搬中に生じる自己位相変調と称される非線形現象により短パルスレーザー光のスペクトル幅を拡張し、中空ファイバーから出射後の短パルスレーザー光をチャープ鏡や２個のプリズムからなるプリズム対あるいは２個の回折格子からなる回折格子対などを用いて分散補償して位相制御を行うことにより、パルス幅を圧縮することが知られている（非特許文献１および非特許文献２を参照する。）。 For this reason, as described above, various techniques have been proposed as means for compressing the pulse width of short pulse laser light. For example, short pulse laser light is incident on a cylindrical hollow fiber enclosing various gases. The spectral width of the short-pulse laser light is expanded by a nonlinear phenomenon called self-phase modulation that occurs during propagation in the hollow fiber, and the short-pulse laser light emitted from the hollow fiber is emitted from the chirp mirror and two prisms. It is known that the pulse width is compressed by performing phase compensation by performing dispersion compensation using a prism pair or a diffraction grating pair composed of two diffraction gratings (Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2). To see.)
具体的には、高強度フェムト秒レーザー光のパルス幅の圧縮においては、フェムト秒パルスが媒質中を伝搬する際に生じる自己位相変調を利用してフェムト秒パルスのスペクトル幅を拡げ、その後にチャープ鏡やプリズム対で分散補償を行って１０フェムト秒以下にパルス幅を圧縮するようになされている。 Specifically, in compressing the pulse width of high-intensity femtosecond laser light, the spectrum width of the femtosecond pulse is expanded using self-phase modulation that occurs when the femtosecond pulse propagates through the medium, and then chirped. Dispersion compensation is performed with a mirror or prism pair to compress the pulse width to 10 femtoseconds or less.
即ち、フェムト秒パルスのスペクトル幅を拡げるにあたっては、一般に、円筒形状の中空ファイバーに希ガスを封入しておき、この中空ファイバー内に高強度フェムト秒レーザー光を入射し、当該高強度フェムト秒レーザー光の中空ファイバー内の伝搬中に生じる自己位相変調により高強度フェムト秒レーザー光のスペクトル幅を拡張していた。 That is, in order to broaden the spectrum width of the femtosecond pulse, a rare gas is generally sealed in a cylindrical hollow fiber, a high-intensity femtosecond laser beam is incident on the hollow fiber, and the high-intensity femtosecond laser is injected. The spectral width of high-intensity femtosecond laser light has been extended by self-phase modulation that occurs during propagation in the hollow fiber of light.
しかしながら、中空ファイバーのような、所謂、一次元素子においては、入射する短パルスレーザー光のエネルギーが当該中空ファイバーの中空部分の円形の断面積に制限されてしまうことになり、高強度短パルスレーザー光とはいっても取り扱うことのできる高強度短パルスレーザー光のエネルギーは数ｍＪ程度に制限されていて、高いエネルギー、例えば、１０ｍＪ〜１Ｊ程度のフェムト秒レーザー光などの短パルスレーザー光に対応することができないという問題点があった。 However, in a so-called one-dimensional element such as a hollow fiber, the energy of the incident short pulse laser light is limited to the circular cross-sectional area of the hollow portion of the hollow fiber, and a high-intensity short pulse laser The energy of high-intensity short pulse laser light that can be handled even though it is light is limited to about several mJ, and corresponds to high energy, for example, short pulse laser light such as femtosecond laser light of about 10 mJ to 1 J. There was a problem that it was not possible.
即ち、中空ファイバーを用いたスペクトル幅の拡張の手法では、中空ファイバーへ入射する短パルスレーザー光のエネルギーが中空コアの断面積により制限をされてしまうため、短パルスレーザー光の高強度化には限界があるという問題点があった。 That is, in the method of extending the spectral width using the hollow fiber, the energy of the short pulse laser beam incident on the hollow fiber is limited by the cross-sectional area of the hollow core. There was a problem that there was a limit.
なお、従来のプラナー導波路（スラブ導波路）を用いて短パルスレーザー光のスペクトル幅を広帯域化した例はあるが（非特許文献３を参照する。）、そのエネルギーはμＪオーダーに過ぎないものであった。
本発明は、上記したような従来の技術の有する種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、従来よりも高いエネルギー、例えば、従来の技術において取り扱うことのできる短パルスレーザー光のエネルギーの数１０倍〜数１００倍程度の高いエネルギー（具体的には、例えば、数１０ｍＪ〜数１００ｍＪである。）の短パルスレーザー光のパルス幅を圧縮することを可能にした短パルスレーザー光のパルス幅圧縮方法およびその装置ならびに中空導波路を提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of the various problems of the conventional techniques as described above. The object of the present invention is higher energy than the conventional technique, for example, a short that can be handled in the conventional technique. It has become possible to compress the pulse width of short pulse laser light having high energy (specifically, for example, several tens of mJ to several hundred mJ) of several tens to several hundred times the energy of pulse laser light. An object of the present invention is to provide a method and apparatus for compressing a pulse width of a short pulse laser beam, and a hollow waveguide.
上記目的を達成するために、本発明による中空導波路は、２枚の平板を所定の間隔を開けて平行に配置して当該２枚の平板間に中空部分を形成し、短パルスレーザー光が当該中空部分内を伝搬するようにしたものである。本願発明者は、この本発明による中空導波路を「中空プラナー導波路」または「中空スラブ導波路」と称することを提唱する。 In order to achieve the above object, a hollow waveguide according to the present invention has two flat plates arranged in parallel at a predetermined interval to form a hollow portion between the two flat plates, and a short pulse laser beam is generated. It propagates in the hollow part. The present inventor proposes that the hollow waveguide according to the present invention be referred to as a “hollow planar waveguide” or a “hollow slab waveguide”.
また、本発明による短パルスレーザー光のパルス幅圧縮方法およびその装置は、従来の中空ファイバーに代えて、上記した２枚の平行平板により構成される本発明による中空導波路（中空プラナー導波路または中空スラブ導波路）を用いるようにして、従来の技術において取り扱い可能であったエネルギーよりも数１０倍〜数１００倍高いエネルギーの高強度フェムト秒レーザー光などの短パルスレーザー光のパルス幅を、例えば、１０フェムト秒以下に圧縮することができるようにしたものである。 In addition, a pulse width compression method and apparatus for short pulse laser light according to the present invention is a hollow waveguide according to the present invention (hollow planar waveguide or By using a hollow slab waveguide), the pulse width of a short pulse laser beam such as a high-intensity femtosecond laser beam having an energy several tens to several hundreds times higher than the energy that can be handled in the prior art, For example, it can be compressed to 10 femtoseconds or less.
こうした本発明のうち請求項１に記載に発明は、短パルスレーザー光のパルス幅を圧縮する短パルスレーザー光のパルス幅圧縮方法において、短パルスレーザー光を線状に集光し、２枚の平板を所定の間隙を開けて平行に配置して上記２枚の平板間に中空コアを形成しかつ上記中空コア内に希ガスを存在させるとともに上記中空コア内を短パルスレーザー光が伝搬するようにした中空導波路の上記中空コア内に、線状に集光された短パルスレーザー光の線状の延長方向が、上記中空コアの上記線状に集光された短パルスレーザー光の入射側端面における上記間隙方向と直交する自由方向に沿うように、線状に集光された短パルスレーザー光を入射して、該入射した短パルスレーザー光を上記中空コア内で伝搬させて該入射した短パルスレーザー光のスペクトル幅を拡げ、上記中空コア内を伝搬して出射されたスペクトル幅を拡げられた短パルスレーザー光を分散補償して位相制御を行うことによりパルス幅を圧縮して出力するようにしたものである。
Among these inventions, the invention described in claim 1 is a short pulse laser light pulse width compression method for compressing the pulse width of a short pulse laser light. Flat plates are arranged in parallel with a predetermined gap so that a hollow core is formed between the two flat plates, a rare gas is present in the hollow core, and a short pulse laser beam is propagated in the hollow core. In the hollow core of the hollow waveguide, the linear extension direction of the short pulse laser beam condensed linearly is the incident side of the short pulse laser beam condensed linearly of the hollow core A short pulse laser beam condensed linearly is incident along a free direction perpendicular to the gap direction at the end face, and the incident short pulse laser beam is propagated in the hollow core and incident. Short pulse laser The spectral width of the light was expanded, and the pulse width was compressed and output by performing dispersion control on the short pulse laser beam that was propagated through the hollow core and emitted and expanded in spectral width. Is.
また、本発明のうち請求項２に記載に発明は、本発明のうち請求項１に記載に発明において、上記間隙の距離を１００μｍ〜５００μｍとしたものである。 The invention according to claim 2 of the present invention is the invention according to claim 1 of the present invention, wherein the distance of the gap is set to 100 μm to 500 μm.
また、本発明のうち請求項３に記載に発明は、本発明のうち請求項１または２のいずれか１項に記載の発明において、上記中空導波路の上記中空コア内に入射される短パルスレーザー光は、エネルギーが１ｍＪ〜１Ｊのフェムト秒レーザー光であるようにしたものである。 According to a third aspect of the present invention, there is provided the short pulse incident on the hollow core of the hollow waveguide according to the first or second aspect of the present invention. The laser beam is a femtosecond laser beam having an energy of 1 mJ to 1 J.
また、本発明のうち請求項４に記載に発明は、短パルスレーザー光のパルス幅を圧縮する短パルスレーザー光のパルス幅圧縮装置において、短パルスレーザー光を線状に集光するビーム集光手段と、２枚の平板を所定の間隙を開けて平行に配置して上記２枚の平板間に中空コアを形成しかつ上記中空コア内に希ガスを存在させるとともに上記中空コア内を短パルスレーザー光が伝搬するようにした中空導波路であって、上記中空コア内に上記ビーム集光手段により線状に集光された短パルスレーザー光が入射され該入射された短パルスレーザー光を伝搬する中空導波路と、上記中空導波路を伝搬して出射された短パルスレーザー光を分散補償して位相制御を行うことによりパルス幅を圧縮して出力するパルス幅圧縮手段とを有し、上記ビーム集光手段により線状に集光された短パルスレーザー光を上記中空コアへ入射する際に、上記線状に集光された短パルスレーザー光の線状の延長方向が、上記中空コアの上記線状に集光された短パルスレーザー光の入射側端面における上記間隙方向と直交する自由方向に沿うように入射するようにしたものである。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a beam condensing method for condensing a short pulse laser beam in a linear form in a pulse width compression device for a short pulse laser beam for compressing a pulse width of the short pulse laser beam. Means and two flat plates arranged in parallel with a predetermined gap to form a hollow core between the two flat plates, and a rare gas is present in the hollow core and a short pulse is generated in the hollow core. A hollow waveguide in which a laser beam propagates, and the short pulse laser beam condensed linearly by the beam condensing means enters the hollow core and propagates the incident short pulse laser beam A hollow waveguide, and pulse width compression means for compressing and outputting the pulse width by dispersion compensating the short pulse laser beam emitted through the hollow waveguide and performing phase control, and beam When the short pulse laser beam focused linearly by the light means is incident on the hollow core, the linear extension direction of the short pulse laser beam focused linearly is the line of the hollow core. The short pulse laser beam condensed in a shape is incident along the free direction orthogonal to the gap direction on the incident side end face.
また、本発明のうち請求項５に記載に発明は、本発明のうち請求項４に記載に発明において、上記間隙の距離を１００μｍ〜５００μｍとしたものである。 The invention described in claim 5 of the present invention is the invention described in claim 4 of the present invention, wherein the distance of the gap is set to 100 μm to 500 μm.
また、本発明のうち請求項６に記載に発明は、本発明のうち請求項４または５のいずれか１項に記載の発明において、上記中空導波路の上記中空コア内に入射される短パルスレーザー光は、エネルギーが１ｍＪ〜１Ｊのフェムト秒レーザー光であるようにしたものである。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided the short pulse incident on the hollow core of the hollow waveguide according to any one of the fourth or fifth aspect of the present invention. The laser beam is a femtosecond laser beam having an energy of 1 mJ to 1 J.
また、本発明のうち請求項７に記載に発明は、短パルスレーザー光のスペクトル幅を拡げるための中空導波路において、２枚の平板を所定の間隙を開けて平行に配置して上記２枚の平板間に中空コアを形成しかつ上記中空コア内に希ガスを存在させるとともに上記中空コア内を短パルスレーザー光が伝搬するようにした中空導波路であって、上記コア内に短パルスレーザー光を入射し、該入射した短パルスレーザー光を上記中空コア内で伝搬させて該入射した短パルスレーザー光のスペクトル幅を拡げるようにしたものである。 According to a seventh aspect of the present invention, in the hollow waveguide for expanding the spectral width of the short pulse laser beam, the two plates are arranged in parallel with a predetermined gap therebetween. A hollow waveguide in which a hollow core is formed between the flat plates, a rare gas is present in the hollow core, and a short pulse laser beam is propagated in the hollow core, the short pulse laser in the core Light is incident and the incident short pulse laser light is propagated in the hollow core so that the spectral width of the incident short pulse laser light is expanded.
上記した本発明によれば、従来の円筒形の中空ファイバーに代えて、２枚の平行な平板により構成される本発明による中空導波路（中空プラナー導波路または中空スラブ導波路）を用いるようにしたので、短パルスレーザー光の閉じこめ効果を損なうことなく、短パルスレーザー光が入射される中空導波路の中空コアの入射側端面の面積ならびに中空コアの断面積を拡げることができるようになる。
According to the above-described present invention, instead of the conventional cylindrical hollow fiber, the hollow waveguide (hollow planar waveguide or hollow slab waveguide) according to the present invention constituted by two parallel flat plates is used. Therefore, the area of the end face on the incident side of the hollow core of the hollow waveguide into which the short pulse laser beam is incident and the cross-sectional area of the hollow core can be expanded without impairing the confinement effect of the short pulse laser beam.
これにより、従来の円筒形の中空ファイバーを用いた場合と比較すると、数１０倍〜数１００倍の高いエネルギーのフェムト秒レーザー光に対しても、自己位相変調によるスペクトル幅の広帯域化が可能となり、チャープ鏡などのパルス幅圧縮手段を用いて分散補償して位相制御を行うことによるパルス幅圧縮後の１０フェムト秒以下のパルス幅の超短パルスのエネルギーも、従来の場合と比較すると数１０倍〜数１００倍高くなる。 This makes it possible to broaden the spectrum width by self-phase modulation even for femtosecond laser beams with high energy several tens to several hundred times higher than when using conventional cylindrical hollow fibers. The energy of an ultrashort pulse having a pulse width of 10 femtoseconds or less after pulse width compression by performing phase compensation and dispersion control using a pulse width compression means such as a chirp mirror is also several tens compared with the conventional case. Double to several hundred times higher.
本発明によれば、従来よりも高いエネルギー、例えば、従来の技術において取り扱うことのできる短パルスレーザー光のエネルギーの数１０倍〜数１００倍の高いエネルギーの短パルスレーザー光のパルス幅を圧縮することが可能になるという優れた効果が奏される。 According to the present invention, the pulse width of high-energy short pulse laser light that is higher than conventional energy, for example, several tens to several hundred times as high as that of short pulse laser light that can be handled in the prior art is compressed. The excellent effect that it becomes possible is produced.
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による短パルスレーザー光のパルス幅圧縮方法およびその装置ならびにそれらに用いる中空導波路の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。 Hereinafter, an example of an embodiment of a pulse width compression method and apparatus for a short pulse laser beam and a hollow waveguide used in the method according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図１には、本発明による短パルスレーザー光のパルス幅圧縮装置の実施の形態の一例の概念構成説明図が示されている。また、図２には、図１のＩＩ−ＩＩ線による概略断面説明図が示されている。
FIG. 1 shows an explanatory diagram of a conceptual configuration of an example of an embodiment of a pulse width compression apparatus for a short pulse laser beam according to the present invention. FIG. 2 is a schematic cross-sectional explanatory view taken along line II-II in FIG.
この本発明による短パルスレーザー光のパルス幅圧縮装置（以下、単に「パルス幅圧縮装置」と称する。）１０は、フェムト秒レーザーやピコ秒レーザーなどの短パルスレーザー（図示せず。）により生成されたフェムト秒レーザー光やピコ秒レーザー光などの短パルスレーザー光のビーム形状を線状に集光するビーム集光手段としてのビーム集光部１２と、ビーム集光部１２から出射された線状の短パルスレーザー光が入射され当該入射された短パルスレーザー光のスペクトル幅を拡げるスペクトル幅拡張手段としてのスペクトル幅拡張部１４と、スペクトル幅拡張部１４によりスペクトル幅を拡げられた短パルスレーザー光を分散補償して位相制御を行うことによりパルス幅を圧縮して出力するパルス幅圧縮手段としてのパルス幅圧縮部１６とを有して構成されている。 The pulse width compression apparatus (hereinafter simply referred to as “pulse width compression apparatus”) 10 of the short pulse laser beam according to the present invention is generated by a short pulse laser (not shown) such as a femtosecond laser or a picosecond laser. A beam condensing unit 12 as a beam condensing unit that condenses the beam shape of the short pulse laser beam such as the femtosecond laser beam or the picosecond laser beam, and the line emitted from the beam condensing unit 12 A spectral width expanding unit 14 as a spectral width expanding unit that expands the spectral width of the incident short pulse laser light when the short pulse laser beam is incident, and the short pulse laser whose spectral width is expanded by the spectral width expanding unit 14 Pulse width compression unit as pulse width compression means for compressing and outputting pulse width by performing phase control with dispersion compensation of light Is constructed and a 6.
ここで、ビーム集光部１２は、例えば、円筒面レンズや円筒面反射鏡などにより構成することができる。 Here, the beam condensing part 12 can be comprised by a cylindrical surface lens, a cylindrical surface reflective mirror, etc., for example.
次に、スペクトル幅拡張部１４は、短パルスレーザー光を透過して内部に入射するための入射窓（図示せず。）と短パルスレーザー光を透過して外部へ出射するための出射窓（図示せず。）とを有した矩形断面を備えたガスセル２０と、ガスセル２０内に配設された中空導波路２２とを有して構成されている。なお、ガスセル２０内には、短パルスレーザー光の自己位相変調を引き起こす媒質として、アルゴンやネオンなどの希ガスが封入されている。 Next, the spectral width expanding unit 14 transmits an incident window (not shown) for transmitting the short pulse laser beam and entering the inside, and an emission window (not shown) for transmitting the short pulse laser beam and emitting it to the outside. A gas cell 20 having a rectangular cross section with a hollow waveguide 22 disposed in the gas cell 20. The gas cell 20 is filled with a rare gas such as argon or neon as a medium that causes self-phase modulation of the short pulse laser beam.
中空導波路２２は、２枚の平板２４ａ、２４ｂを所定の間隔Ｇを開けて平行に配置して、２枚の平板２４ａ、２４ｂ間に中空部分の中空コア２４ｃを形成したものであり、短パルスレーザー光が中空コア２４ｃ内を伝搬するように構成されている。 The hollow waveguide 22 is formed by arranging two flat plates 24a and 24b in parallel with a predetermined gap G to form a hollow core 24c between the two flat plates 24a and 24b. The pulse laser beam is configured to propagate in the hollow core 24c.
また、中空導波路２２においては、２枚の平板２４ａ、２４ｂを所定の間隔Ｇを開けて一様に精度よく平行に配置するために、平板２４ａと平板２４ｂとの間に間隔Ｇと一致する長さを備えたスペーサー２６を配置している。 Further, in the hollow waveguide 22, in order to arrange the two flat plates 24a and 24b in parallel with a predetermined gap G with high accuracy, the gap G matches the gap G between the flat plates 24a and 24b. A spacer 26 having a length is arranged.
ここで、中空導波路２２の寸法は、平板２４ａ、２４ｂの材質や入射する短パルスレーザー光の波長などの設計条件に応じて任意に設定できるものであるが、間隙Ｇの距離は、例えば、１００μｍ〜５００μｍ程度に設定することができ、中空コア２４ｃの幅Ｗの大きさは、例えば、５ｃｍ〜１０ｃｍ程度に設定することができ、また、中空コア２４ｃの長さＬは、例えば、５０ｃｍ〜２ｍ程度に設定することができ、また、平板２４ａ、２４ｂの厚さＴは、例えば、１ｃｍ〜５ｃｍ程度に設定することができる。 Here, the dimension of the hollow waveguide 22 can be arbitrarily set according to the design conditions such as the material of the flat plates 24a and 24b and the wavelength of the incident short pulse laser beam. The distance of the gap G is, for example, The width W of the hollow core 24c can be set to, for example, about 5 cm to 10 cm, and the length L of the hollow core 24c can be set to, for example, 50 cm to 500 μm. It can be set to about 2 m, and the thickness T of the flat plates 24 a and 24 b can be set to about 1 cm to 5 cm, for example.
さらに、平板２４ａ、２４ｂの材質としては、ソーダガラス、合成石英ガラスあるいはシリコンなどを適宜に選択して用いることができる。 Furthermore, as a material for the flat plates 24a and 24b, soda glass, synthetic quartz glass, silicon, or the like can be appropriately selected and used.
次に、パルス幅圧縮部１６は、例えば、チャープ鏡や２個のプリズムからなるプリズム対あるいは２個の回折格子からなる回折格子対などにより構成することができる。 Next, the pulse width compression unit 16 can be constituted by, for example, a chirp mirror, a prism pair made up of two prisms, or a diffraction grating pair made up of two diffraction gratings.
以上の構成において、短パルスレーザー（図示せず。）により生成された短パルスレーザー光はビーム集光部１２に入射され、ビーム集光部１２によりそのビーム形状を線状に集光され、スペクトル幅拡張部１４のガスセル２０の入射窓（図示せず。）を透過して、中空導波路２２における中空コア２４ｃの入射側端面に集光される。
In the above configuration, the short pulse laser beam generated by the short pulse laser (not shown) is incident on the beam condensing unit 12, and the beam condensing unit 12 condenses the beam shape into a linear shape. The light passes through an incident window (not shown) of the gas cell 20 of the width expanding portion 14 and is condensed on the incident side end face of the hollow core 24 c in the hollow waveguide 22.
ここで、ビーム形状が線状の短パルスレーザー光を中空コア２４ｃの入射側端面に集光する際には、ビーム形状の線状の延長方向が、中空コア２４ｃの線状に集光された短パルスレーザー光の入射側端面において、間隙Ｇにより制限された間隙Ｇ方向と直交する自由方向である幅Ｗ方向に沿うように入射する。 Here, when condensing the short pulse laser beam having a linear beam shape on the incident side end face of the hollow core 24c, the linear extension direction of the beam shape is condensed into the linear shape of the hollow core 24c. At the incident side end face of the short pulse laser beam, the laser beam is incident along the width W direction which is a free direction orthogonal to the gap G direction limited by the gap G.
そして、中空導波路２２の中空コア２４ｃ内に入射されたビーム形状が線状の短パルスレーザー光のスペクトル幅は、中空導波路２２の長手方向、即ち、中空コア２４ｃの長さＬ方向へ当該短パルスレーザー光が伝搬する際に、ガスセル２０内の希ガスなどとの相互作用により自己位相変調を引き起こし、数倍〜１０倍程度拡げられる。 The spectral width of the short pulse laser beam having a linear beam shape incident on the hollow core 24c of the hollow waveguide 22 is in the longitudinal direction of the hollow waveguide 22, that is, in the length L direction of the hollow core 24c. When the short pulse laser beam propagates, self-phase modulation is caused by the interaction with the rare gas in the gas cell 20 and is expanded several times to 10 times.
上記のようにしてスペクトル幅拡張部１４によりスペクトル幅を拡げられた短パルスレーザー光は、ガスセル２０の出射窓（図示せず。）を透過して外部へ出射された後にパルス幅圧縮部１６へ入射され、パルス幅圧縮部１６により分散補償を施されてパルス幅が圧縮される。そして、こうしてパルス幅が圧縮された短パルスレーザー光がパルス幅圧縮部１６から外部へ出力され、それぞれの用途に用いられる。 The short pulse laser beam having the spectrum width expanded by the spectrum width expanding unit 14 as described above is transmitted to the outside through the emission window (not shown) of the gas cell 20 and then to the pulse width compression unit 16. Incident light is subjected to dispersion compensation by the pulse width compression unit 16 to compress the pulse width. And the short pulse laser beam by which the pulse width was compressed in this way is output outside from the pulse width compression part 16, and is used for each use.
こうしたパルス幅圧縮装置１０によれば、例えば、ビーム集光部１２に短パルスレーザー光としてエネルギーが５０ｍＪ〜１００ｍＪ程度のフェムト秒レーザー光が入射されると、パルス幅圧縮部１６からはパルス幅を圧縮されたエネルギーが２５ｍＪ〜５０ｍＪ程度の短パルスレーザー光を出射することが可能となるものであり、概ね入射の際のエネルギーの５０％程度のエネルギーが出射される。 According to such a pulse width compression device 10, for example, when a femtosecond laser beam having an energy of about 50 mJ to 100 mJ is incident on the beam condensing unit 12 as a short pulse laser beam, the pulse width compression unit 16 reduces the pulse width. It is possible to emit a short pulse laser beam having a compressed energy of about 25 mJ to 50 mJ, and about 50% of the energy at the time of incidence is emitted.
ここで、本願発明者により行われたシミュレーションについて説明する。このシミュレーションにおいては、フェムト秒パルスの非線形伝播を取り扱ったモデル計算（「Ｍ．Ｎｕｒｈｕｄａ ｅｔ ａｌ．， ＪＯＳＡ Ｂ２０， ２００２（２００３）．」を参照する。）により、中空導波路２２中のスペクトル広帯域化について検討した。
Here, the simulation performed by the present inventor will be described. In this simulation, spectral broadening in the hollow waveguide 22 is performed by model calculation that handles nonlinear propagation of femtosecond pulses (refer to “M. Nurhuda et al., JOSA B20, 2002 (2003)”). Was examined.
なお、このシミュレーションにおいては、ガスセル２０内には０．７気圧のアルゴンが封入されているものとした。 In this simulation, it is assumed that 0.7 atm argon is enclosed in the gas cell 20.
また、中空導波路２２については、長さが５０ｃｍ、幅が１５ｃｍの寸法を備えた合成石英ガラス製の平板２４ａ、２４ｂを、間隔Ｇの距離を３５０μｍにとって平行に対向させて構成するものとした。なお、このシミュレーションではスペーサー２６は排除して計算しているため、中空コア２４ｃの幅Ｗは１５ｃｍとなる。 The hollow waveguide 22 is composed of synthetic quartz glass flat plates 24a and 24b having dimensions of 50 cm in length and 15 cm in width and facing each other in parallel with a distance G of 350 μm. . In this simulation, the calculation is performed with the spacers 26 excluded, so the width W of the hollow core 24c is 15 cm.
また、上記した寸法の中空導波路２２に入射する線状の短パルスレーザー光としては、中心波長を８００ｎｍとし、エネルギーは１００ｍＪであり、パルス幅が２０ｆｓのフェムト秒レーザー光を用いるようにした。 Further, as the linear short pulse laser beam incident on the hollow waveguide 22 having the above dimensions, a femtosecond laser beam having a center wavelength of 800 nm, an energy of 100 mJ, and a pulse width of 20 fs is used.
また、上記したフェムト秒レーザー光のビーム形状は、中空コア２４ｃの幅Ｗ方向に沿った線状の延長方向の大きさを１０ｃｍとし、間隙Ｇ方向の大きさを２７０μｍとした線状形状を備えるものとした。図３には、上記した中空導波路２２に入射する線状の短パルスレーザー光のシミュレーションにより求められた間隙Ｇ方向のスペクトルの空間分布図が示されており、図４には、上記した中空導波路２２に入射する線状の短パルスレーザー光のシミュレーションにより求められた幅Ｗ方向のスペクトルの空間分布図が示されている。 Further, the beam shape of the femtosecond laser light described above has a linear shape in which the size in the linear extension direction along the width W direction of the hollow core 24c is 10 cm and the size in the gap G direction is 270 μm. It was supposed to be. FIG. 3 shows a spatial distribution diagram of the spectrum in the gap G direction obtained by simulation of the linear short pulse laser beam incident on the hollow waveguide 22 described above, and FIG. A spatial distribution diagram of a spectrum in the width W direction obtained by simulation of a linear short pulse laser beam incident on the waveguide 22 is shown.
即ち、このシミュレーションは、エネルギー１００ｍＪ、パルス幅２０ｆｓのフェムト秒パルス（中心波長８００ｎｍ）を０．７気圧のアルゴンを封入したガスセル２０内に配置された中空導波路２２に線状集光（間隙Ｇ方向２７０μｍ×幅Ｗ方向１０ｃｍ）し、中空導波路２２内を５０ｃｍ伝搬させるようにしたものである。 That is, in this simulation, a linear condensing (gap G) is applied to a hollow waveguide 22 arranged in a gas cell 20 filled with 0.7 atm of argon with a femtosecond pulse (center wavelength: 800 nm) having an energy of 100 mJ and a pulse width of 20 fs. Direction 270 μm × width W direction 10 cm), and propagates through the hollow waveguide 22 by 50 cm.
図５および図６には、シミュレーションにより求められた中空導波路２２内を５０ｃｍ伝搬させた後の短パルスレーザー光のスペクトルの空間分布が示されている。 FIG. 5 and FIG. 6 show the spatial distribution of the spectrum of the short pulse laser beam after propagating through the hollow waveguide 22 by 50 cm obtained by simulation.
ここで、図５が中空導波路２２の光の閉じ込め方向（間隙Ｇの方向）におけるスペクトルの空間分布を示し、図４が中空導波路２２の自由方向（幅Ｗの方向）におけるスペクトルの空間分布を示している。 Here, FIG. 5 shows the spatial distribution of the spectrum in the light confinement direction (the direction of the gap G) of the hollow waveguide 22, and FIG. 4 shows the spatial distribution of the spectrum in the free direction (the direction of the width W) of the hollow waveguide 22. Is shown.
中空導波路２２の光閉じ込め方向（図５参照）とこれに直交する自由方向（図６参照）とのいずれにおいても、ともに一様にスペクトル幅が拡がっていることがわかる。 It can be seen that in both the optical confinement direction of the hollow waveguide 22 (see FIG. 5) and the free direction perpendicular to the direction (see FIG. 6), the spectrum width is uniformly expanded.
また、図７は、このシミュレーションにおいて中空導波路２２に入射する線状の短パルスレーザー光（Ｉｎｐｕｔ）と中空導波路２２から出射された線状の短パルスレーザー光（Ｏｕｔｐｕｔ）とを比較して示したスペクトル図である。この図７からも、中空導波路２２に入射された線状の短パルスレーザー光スペクトル幅が拡がっていることがわかる。 FIG. 7 shows a comparison between the linear short pulse laser beam (Input) incident on the hollow waveguide 22 and the linear short pulse laser beam (Output) emitted from the hollow waveguide 22 in this simulation. It is the shown spectrum figure. FIG. 7 also shows that the spectral width of the linear short pulse laser beam incident on the hollow waveguide 22 is widened.
上記したシミュレーション結果からは、最終的にエネルギー５０ｍＪ、パルス幅５ｆｓのパルスまで圧縮可能であることが示された。 From the above simulation results, it was shown that compression is possible up to a pulse having an energy of 50 mJ and a pulse width of 5 fs.
なお、上記した実施の形態は、以下の（１）〜（４）に示すように変形することができるものである。
The above-described embodiment can be modified as shown in the following (1) to (4).
（１）上記した実施の形態においては、ビーム集光部１２により短パルスレーザー光のビーム形状を線状に集光した後にスペクトル幅拡張部１４へ入射するようにしたが、短パルスレーザー光のビーム形状を線状に集光する際に、ビーム形状を整形するようにしてもよい。ビーム形状を整形しながら線状に集光する場合には、ビーム整形に用いるスリットやナイフエッジと線状集光に用いる円筒面レンズや円筒面反射鏡とを組みあわせて用いればよい。 (1) In the above embodiment, the beam condensing unit 12 condenses the beam shape of the short pulse laser beam into a linear shape and then enters the spectral width expanding unit 14. When converging the beam shape into a linear shape, the beam shape may be shaped. When condensing linearly while shaping the beam shape, a slit or knife edge used for beam shaping may be combined with a cylindrical lens or cylindrical reflector used for linear condensing.
（２）上記した実施の形態においては、ガスセル２０として矩形断面を備えたものを用いるようにしたが、ガスセル２０の断面形状は矩形に限られるものではないことは勿論である。例えば、図８に示すように、円筒断面を備えたガスセルを用いるようにしてもよい。 (2) In the above-described embodiment, the gas cell 20 having a rectangular cross section is used. However, the gas cell 20 is not limited to a rectangular cross section. For example, as shown in FIG. 8, a gas cell having a cylindrical cross section may be used.
（３）上記した実施の形態においては、平板２４ａと平板２４ｂとの間にスペーサー２６を配置することにより、平板２４ａと平板２４ｂとを所定の間隔Ｇを開けて一様に精度よく平行に配置したが、平板２４ａと平板２４ｂとを所定の間隔Ｇを開けて一様に精度よく平行に配置する手法は、スペーサー２６を用いた上記の手法に限られるものではないことは勿論である。例えば、図９に示すように、２枚の平板２４ａ、２４ｂをそれぞれホルダーに固定した後に、複数個（例えば、４個以上である。）のマイクロメーターヘッドを用いて、２枚の平板２４ａ、２４ｂの間の間隙Ｇおよび平行度を調整するようにしてもよい。 (3) In the above-described embodiment, by arranging the spacer 26 between the flat plate 24a and the flat plate 24b, the flat plate 24a and the flat plate 24b are arranged uniformly in parallel with a predetermined gap G. However, as a matter of course, the method of arranging the flat plate 24a and the flat plate 24b in parallel with a predetermined gap G with a uniform accuracy is not limited to the above method using the spacer 26. For example, as shown in FIG. 9, after two flat plates 24a and 24b are respectively fixed to a holder, a plurality of (for example, four or more) micrometer heads are used to form two flat plates 24a, The gap G and the parallelism between 24b may be adjusted.
（４）上記した実施の形態ならびに上記した（１）〜（３）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。 (4) You may make it combine suitably the embodiment shown above and the modification shown in said (1)-(3).
本発明は、Ｘ線顕微鏡の光源となる軟Ｘ線コヒーレント光を発生させるために必要となる励起用レーザーを高強度化・短パルス化させたり、あるいは、アブレーション作用を利用した難加工物質の加工において各種波長のレーザー光を短パルス化させたり、あるいは、超高速化学反応による新材料創成において高強度短パルスレーザー光を利用したりするなどの際に利用することができる。 The present invention increases the intensity and shortens the excitation laser necessary to generate soft X-ray coherent light that is a light source of an X-ray microscope, or processes difficult-to-process materials using an ablation action Can be used to shorten the pulse of laser light of various wavelengths, or to use high-intensity short-pulse laser light in the creation of new materials by ultrafast chemical reaction.
１０ パルス幅圧縮装置
１２ ビーム集光部
１４ スペクトル幅拡張部
１６ パルス幅圧縮部
２０ ガスセル
２２ 中空導波路
２４ａ 平板
２４ｂ 平板
２６ スペーサー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Pulse width compression apparatus 12 Beam condensing part 14 Spectral width expansion part 16 Pulse width compression part 20 Gas cell 22 Hollow waveguide 24a Flat plate 24b Flat plate 26 Spacer
Claims (7)
短パルスレーザー光を線状に集光し、
２枚の平板を所定の間隙を開けて平行に配置して前記２枚の平板間に中空コアを形成しかつ前記中空コア内に希ガスを存在させるとともに前記中空コア内を短パルスレーザー光が伝搬するようにした中空導波路の前記中空コア内に、線状に集光された短パルスレーザー光の線状の延長方向が、前記中空コアの前記線状に集光された短パルスレーザー光の入射側端面における前記間隙方向と直交する自由方向に沿うように、線状に集光された短パルスレーザー光を入射して、該入射した短パルスレーザー光を前記中空コア内で伝搬させて該入射した短パルスレーザー光のスペクトル幅を拡げ、
前記中空コア内を伝搬して出射されたスペクトル幅を拡げられた短パルスレーザー光を分散補償して位相制御を行うことによりパルス幅を圧縮して出力する
ことを特徴とする短パルスレーザー光のパルス幅圧縮方法。 In the pulse width compression method of the short pulse laser beam that compresses the pulse width of the short pulse laser beam,
Condensing short pulse laser light in a line,
Two flat plates are arranged in parallel with a predetermined gap to form a hollow core between the two flat plates, a rare gas is present in the hollow core, and a short pulse laser beam is generated in the hollow core. The short pulse laser beam in which the linear extension direction of the short pulse laser beam focused linearly in the hollow core of the hollow waveguide that propagates is condensed in the linear shape of the hollow core. A short-pulse laser beam condensed linearly is incident along a free direction perpendicular to the gap direction on the incident-side end face of the laser beam, and the incident short-pulse laser beam is propagated in the hollow core. Widening the spectral width of the incident short pulse laser beam,
The short pulse laser beam is characterized in that the short pulse laser beam propagating through the hollow core is output by compressing the pulse width by dispersion compensation of the short pulse laser beam having a broadened spectrum width and performing phase control. Pulse width compression method.
前記間隙の距離は、１００μｍ〜５００μｍである
ことを特徴とする短パルスレーザー光のパルス幅圧縮方法。 In the pulse width compression method of the short pulse laser beam according to claim 1,
The distance of the gap is 100 μm to 500 μm. A method for compressing a pulse width of a short pulse laser beam, characterized in that:
前記中空導波路の前記中空コア内に入射される短パルスレーザー光は、エネルギーが１ｍＪ〜１Ｊのフェムト秒レーザー光である
ことを特徴とする短パルスレーザー光のパルス幅圧縮方法。 In the pulse width compression method of the short pulse laser beam according to any one of claims 1 and 2,
The short pulse laser beam incident on the hollow core of the hollow waveguide is a femtosecond laser beam having an energy of 1 mJ to 1J.
短パルスレーザー光を線状に集光するビーム集光手段と、
２枚の平板を所定の間隙を開けて平行に配置して前記２枚の平板間に中空コアを形成しかつ前記中空コア内に希ガスを存在させるとともに前記中空コア内を短パルスレーザー光が伝搬するようにした中空導波路であって、前記中空コア内に前記ビーム集光手段により線状に集光された短パルスレーザー光が入射され該入射された短パルスレーザー光を伝搬する中空導波路と、
前記中空導波路を伝搬して出射された短パルスレーザー光を分散補償して位相制御を行うことによりパルス幅を圧縮して出力するパルス幅圧縮手段と
を有し、
前記ビーム集光手段により線状に集光された短パルスレーザー光を前記中空コアへ入射する際に、前記線状に集光された短パルスレーザー光の線状の延長方向が、前記中空コアの前記線状に集光された短パルスレーザー光の入射側端面における前記間隙方向と直交する自由方向に沿うように入射する
ことを特徴とする短パルスレーザー光のパルス幅圧縮装置。 In the pulse width compression device for short pulse laser light that compresses the pulse width of short pulse laser light,
Beam condensing means for condensing short pulse laser light in a linear form;
Two flat plates are arranged in parallel with a predetermined gap to form a hollow core between the two flat plates, a rare gas is present in the hollow core, and a short pulse laser beam is generated in the hollow core. A hollow waveguide configured to propagate, wherein a short pulse laser beam linearly condensed by the beam condensing means is incident on the hollow core, and the hollow waveguide propagates the incident short pulse laser beam. A waveguide,
Pulse width compression means for compressing and outputting the pulse width by performing dispersion compensation on the short pulse laser beam emitted through the hollow waveguide and performing phase control; and
When the short pulse laser beam focused linearly by the beam focusing means is incident on the hollow core, the linear extension direction of the short pulse laser beam focused linearly is the hollow core. The pulse width compression apparatus for short pulse laser light, wherein the short pulse laser light condensed in a linear shape is incident along a free direction orthogonal to the gap direction on the incident side end face.
前記間隙の距離は、１００μｍ〜５００μｍである
ことを特徴とする短パルスレーザー光のパルス幅圧縮装置。 In the pulse width compression apparatus of the short pulse laser beam of Claim 4,
The distance between the gaps is 100 μm to 500 μm. The pulse width compression apparatus for short pulse laser light, wherein:
前記中空導波路の前記中空コア内に入射される短パルスレーザー光は、エネルギーが１ｍＪ〜１Ｊのフェムト秒レーザー光である
ことを特徴とする短パルスレーザー光のパルス幅圧縮装置。 In the pulse width compression apparatus of the short pulse laser beam of any one of Claim 4 or 5,
The short pulse laser light incident on the hollow core of the hollow waveguide is femtosecond laser light having an energy of 1 mJ to 1 J. A pulse width compression apparatus for short pulse laser light, wherein:
２枚の平板を所定の間隙を開けて平行に配置して前記２枚の平板間に中空コアを形成しかつ前記中空コア内に希ガスを存在させるとともに前記中空コア内を短パルスレーザー光が伝搬するようにした中空導波路であって、
前記コア内に短パルスレーザー光を入射し、該入射した短パルスレーザー光を前記中空コア内で伝搬させて該入射した短パルスレーザー光のスペクトル幅を拡げる
ことを特徴とする中空導波路。 In a hollow waveguide to widen the spectral width of short pulse laser light,
Two flat plates are arranged in parallel with a predetermined gap to form a hollow core between the two flat plates, a rare gas is present in the hollow core, and a short pulse laser beam is generated in the hollow core. A hollow waveguide adapted to propagate,
A hollow waveguide characterized in that a short pulse laser beam is incident on the core, and the incident short pulse laser beam is propagated in the hollow core to widen the spectral width of the incident short pulse laser beam.
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