JP6036854B2 - レーザパルス圧縮用回折格子を用いたレーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザパルスのパルス幅を圧縮するためのパルス圧縮器に用いられるレーザパルス圧縮用の回折格子、及び該回折格子をパルス圧縮器に用いたレーザ装置に関する。

高出力（高エネルギ）でパルス幅がf秒〜p秒オーダーである、いわゆるフェムト秒レーザを発生させるレーザ装置として、チャープパルス増幅（ＣＰＡ：Chirped Pulse Amplificatin）法を用いたレーザ装置が知られている（特許文献１など参照）。ＣＰＡ法を利用したレーザ装置では、レーザ発振器で生成されたレーザ光の時間幅（パルス幅）をパルス拡張器により広げることでピーク強度を抑えたあとに、レーザ増幅器によってレーザ媒質が損傷しない程度までその出力を増幅する。そのあと、パルス圧縮器によりパルス拡張器とは逆にレーザパルスを時間的に圧縮し、その圧縮分だけピーク強度を高めて出力する。

レーザ発振器で生成されたレーザパルスは、微小ではあるが、或る程度の波長幅を有している。パルス拡張及びパルス圧縮はこの波長幅を利用してレーザ光のパルス幅の拡張及び圧縮を行うものであり、例えばパルス拡張は、空間的に波長分散された波長の異なる光が異なる光路長を通過することで実現される。またパルス圧縮はこれと逆の原理で実現される。このようなパルス拡張器、パルス圧縮器には、一般に、同じ構造の回折格子を対にした回折格子対が利用されている。

特許文献２には、回折格子対を利用した典型的なパルス圧縮器（ダブルパス構成）が開示されている。即ち、このパルス圧縮器は、格子面を対向して互いに平行に配置された２枚の回折格子（つまり回折格子対）と、その回折格子対を通過して来たレーザパルスを全反射させて再び上記回折格子対へと入射するミラーとを含む。このパルス圧縮器にはレーザ増幅器で増幅されたレーザパルスが導入され、回折格子対を通りミラーで反射して再び回折格子対を経て戻って来る（つまりは一往復する）過程でその波長幅が狭められることで、ピーク強度が高められる。こうした構成のパルス圧縮器は、２枚の回折格子の間隔を狭めることができ、装置の小形化に有利であるという特徴を有する。

上述したように、ＣＰＡ法を用いたレーザ装置において、パルス圧縮器を構成する回折格子にはレーザ増幅器で増幅されたエネルギの大きなレーザパルスが当たる。そのため、回折格子の格子面（つまりは反射面）の損傷が問題となる。即ち、ＣＰＡ法を用いたレーザ装置において高出力を実現する際には、パルス圧縮器に使用される回折格子の損傷閾値（つまりはエネルギ耐性）が大きな制約となる。パルス圧縮器に用いられる回折格子の損傷閾値を改善するために、従来、回折格子表面の反射膜の膜厚を厚くする、反射膜としてエネルギ耐性の高い多層誘電体膜を使用する（特許文献３、非特許文献１参照）といった方法が提案されている。こうした方法は確かに損傷閾値を改善するのに有効である。しかしながら、回折格子のコストが上昇し、レーザ装置の価格が高くなるという問題がある。

米国特許出願公開第2011/0026105号 特開平9-211504号公報 米国特許出願公開第2012/0093191号

Bruno Touzet、「超高エネルギー・パルスレーザの出力を倍増させる多層膜誘電体グレーティング HORIBA Technical Reports」、株式会社堀場製作所、［online］、［平成25年1月18日検索］、インターネット＜URL: http://www.horiba.com/uploads/media/R027-04-018_01.pdf＞

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、低廉なコストで高い損傷閾値を確保することができるレーザパルス圧縮用回折格子を利用したレーザ装置を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明に係る第１の態様のレーザ装置は、チャープパルス増幅法を用いたレーザ装置であって、
格子面が対向するように平行配置された同一形状の第１、第２なる２枚の回折格子と、該第１の回折格子及び該第２の回折格子を経たレーザパルスを反射させ該第２の回折格子及び該第１の回折格子へと順に入射させる反射鏡と、を含むパルス圧縮器を備え、
前記第１、第２の回折格子は、少なくともその表面が金属反射膜で被覆された断面鋸波状溝を有する反射型ブレーズド回折格子であって、使用されるレーザパルスの波長において、入射するレーザパルスの入射角と１次回折光とが溝斜面に対し鏡面反射の関係になり、且つ所定の回折効率が得られるように定められたブレーズ角を有してなり、
前記パルス圧縮器では、前記第２の回折格子から前記第１の回折格子に入射して来るレーザパルスが、該第１の回折格子の溝斜面に対し略垂直に入射するように、それら２枚の回折格子が配置されてなることを特徴としている。
即ち、この第１の態様のレーザ装置はパルス圧縮器の光学系がダブルパス構成である。

また上記課題を解決するために成された本発明に係る第２の態様のレーザ装置は、チャープパルス増幅法を用いたレーザ装置であって、
格子面が対向するように平行配置された同一形状の第１、第２なる２枚の回折格子を含み、該２枚の回折格子を経たレーザパルスを取り出すパルス圧縮器を備え、
前記第１、第２の回折格子は、少なくともその表面が金属反射膜で被覆された断面鋸波状溝を有する反射型ブレーズド回折格子であって、使用されるレーザパルスの波長において、入射するレーザパルスの入射角と１次回折光とが溝斜面に対し鏡面反射の関係になり、且つ所定の回折効率が得られるように定められたブレーズ角を有してなり、
前記パルス圧縮器では、前記第１の回折格子から前記第２の回折格子に入射して来るレーザパルスが、該第２の回折格子の溝斜面に対し略垂直に入射するように、それら２枚の回折格子が配置されてなることを特徴としている。
即ち、この第２の態様のレーザ装置はパルス圧縮器の光学系がシングルパス構成である。

格子面が断面鋸波状である反射型ブレーズド回折格子では、尖った形状である格子凸部にレーザパルスによる電磁波が集中し易く、その部分の反射膜が損傷を生じ易い。これに対し、本発明に係るレーザ装置に用いられる回折格子では、使用されるレーザパルスの波長において、入射して来るレーザパルスの入射角と１次回折光とが溝斜面に対し鏡面反射の関係になるという条件の下で、所定の回折効率が得られるようにブレーズ角が定められているので、例えばこの回折格子を一対としてパルス圧縮器に使用する場合に、十分な回折効率で溝斜面に対し略垂直にレーザパルスを入射することができる。

ブレーズド回折格子の溝斜面に対して略垂直にレーザパルスが入射する場合、尖った形状である格子凸部への電磁波集中が緩和されるので、例えば格子面の法線方向にレーザパルスが入射したような場合に比べて反射膜の損傷が生じにくくなる。即ち、回折格子の損傷閾値が向上し、それ故に、この回折格子をパルス圧縮器に用いたレーザ装置では、レーザ出力を高めることができる。また、回折格子の回折効率も十分に高いので、パルス圧縮器でのレーザパルスのエネルギ損失を抑えることができ、この点でもレーザ出力を高めるのに有利である。また、本発明に係るレーザ装置に用いられる回折格子では、損傷閾値を上げるために必要以上に反射膜の膜厚を厚くする必要はなく、製造工程が煩雑である誘電体多層膜も用いない。それによって、製造コストを抑えることができる。

本発明に係るレーザ装置に用いられるレーザパルス圧縮用回折格子によれば、誘電体多層膜のような特殊な構造を用いることなく、高い損傷閾値を確保するとともに、要求される波長について高い回折効率も達成できる。そのため、ＣＰＡ法を用いたレーザ装置のパルス圧縮器として、この回折格子を使用することで、コストを抑制しながら高出力を実現することができる。

また本発明に係る第１及び第２の態様のレーザ装置によれば、パルス圧縮器において格子面（反射面）で受ける光エネルギが最も強くなる回折格子として上記レーザパルス圧縮用回折格子が用いられ、その回折格子の格子面に対し略垂直にレーザパルスが入射するので、格子面の耐性が高く損傷が生じにくい。それ故に、例えばレーザ増幅器における増幅度を高めることで、或いは回折格子による空間的なビームの拡がりを抑えることで、最終的にパルス圧縮器から取り出されるレーザパルスの強度を高めることが可能となる。

本発明に係るレーザ装置の一実施例の全体構成図。 本発明に係るレーザ装置に用いられるレーザパルス圧縮用回折格子の一実施例の概略断面図。 本実施例の回折格子の損傷閾値の実測結果を示す図。 本実施例の回折格子においてAu膜厚を変えたときの損傷閾値の実測結果を示す図。 本実施例の回折格子の反射率の波長依存性を示す図。 本発明に係る他の実施例のレーザ装置におけるパルス圧縮器の概略構成図。

以下、本発明の一実施例によるレーザ装置及びそれに用いられる回折格子について、添付図面を参照して説明する。図１は本実施例のレーザ装置の全体構成図である。

本実施例のレーザ装置において、レーザ発振器１０から出力された所定波長付近のごく短い時間幅のレーザパルスはハーフミラー１１を通してパルス拡張器１２に導入され、パルス拡張器１２でパルス幅が拡大されて戻って来る。このレーザパルスがチャープパルスであり、パルス幅が拡張された分だけピーク強度（出力）は低くなる。チャープパルスはハーフミラー１１、及びミラー１３、１４、１５で反射されてレーザ増幅器１６に導入され、レーザ増幅器１６において増幅されることでパルス幅がほぼ維持されたままピーク強度が高くなる。そうして増幅されたチャープパルスが、ミラー１７、ハーフミラー１８、ミラー１９を経て、パルス圧縮器２０に導入される。パルス圧縮器２０においてはパルス拡張器１２とは逆にパルス幅が圧縮され、その分だけピーク強度が高くなってミラー１９に戻って来る。そして、高いピーク強度を有するパルス幅の狭いレーザパルスが、ハーフミラー１８を通過して外部へと出力される。

図１に示すように、パルス拡張器１２は、略ハの字状に対向配置された一対の回折格子１２２、１２５と、その一対の回折格子１２２、１２５の間に配置されたアフォーカルレンズ１２３、１２４と、回折格子１２５で反射された光を反射するミラー１２６と、を含む。レーザ発振器１０から出力されたレーザ光は微小な波長幅を有しており、回折格子１２２、１２５はこの波長幅を空間的に分散させる。空間的に分散された異なる波長の光が２段目の回折格子１２５からミラー１２６に向かいミラー１２６で反射されて戻って来る際の光路の長さは、波長によって異なる。具体的には、短波長側の光はより長い光路を通るためレーザパルスの後エッジ側に引き伸ばされ、逆に長波長側の光はより短い光路を通るためレーザパルスの前エッジ側に引き伸ばされる。それによって、パルス拡張器１２の光入射端に戻って来たときのレーザパルスのパルス幅は入射時と比べて広くなる。

一方、パルス圧縮器２０は、互いに格子面を対向させて平行に配置された一対の回折格子２０１、２０２と、２段目の回折格子２０２で反射（回折）された光を全反射するミラー２０３と、を含む。１段目の回折格子２０１による角度分散は２段目の回折格子２０２で相殺されるため、異なる波長成分を持って１段目の回折格子２０１に入射した平行ビームは２段目の回折格子２０２から出射してミラー２０３へ向かう際にも平行となる。ただし、それら異なる波長成分を持つ光の光路長は異なり、パルス拡張器１２とは逆に、短波長側の光はより短い光路を通り、長波長側の光はより長い光路を通る。それによって、前後に引き伸ばされていたパルスは今度は時間的に圧縮される。なお、ミラー１９からパルス圧縮器２０に導入されたレーザパルスは、ミラー２０３で反射されて往路と全く同じ経路を経て入射時と逆方向に戻って来る。つまり、パルス圧縮器２０においてレーザパルスは波長に依らず一往復することになる。

上述したように、パルス拡張器１２、パルス圧縮器２０ともに回折格子が使用されるが、パルス圧縮器２０には出力が増幅されたチャープパルスが導入され、しかもパルス圧縮の過程でレーザ強度はさらに高くなるため、パルス圧縮器２０に使用される回折格子２０１、２０２には特に高出力のレーザ光が当たることになり、反射膜の損傷を生じ易い。そこで、パルス圧縮器２０に使用される２枚の回折格子２０１、２０２には、特に高い損傷閾値が要求される。また、高出力を得るには、回折格子２０１、２０２でのエネルギ損失ができるだけ少ないことが求められるから、高い回折効率が得られることも必要である。そこで、ここでは、以下に述べるような特徴的な配置及び構成を採ることで、高い損傷閾値及び高い回折効率を実現している。

図２は上記レーザ装置に用いられるレーザパルス圧縮用回折格子の一実施例の概略断面図である。この回折格子１は断面鋸波状溝を有する反射型ブレーズド回折格子であり、またマスター回折格子ではなくレプリカ回折格子である。即ち、図２において、平板状のレプリカ基板２の上には、断面鋸波状の格子溝が形成された樹脂層３があり、その格子溝の表面は金属反射膜としてのAu層４により被覆されている。レプリカ回折格子の製造手順は、例えば特許第4973367号公報等に記載の既存の方法である。
具体的には、ここでは、所定形状の格子が形成されたマスター回折格子上にAu膜（膜厚：250nm、バインダ層としてCrを使用）を形成した上に樹脂材を塗布し、レプリカ基板（Zerodur（登録商標）、独SCHOTT社製）と貼り合わせる。そして、樹脂材が硬化したあとに、Auの剥離性を利用してマスター回折格子を離型させることで、図２に示したようなレプリカ回折格子を得る。

マスター回折格子の溝の傾斜角（ブレーズ角）、ひいてはレプリカ回折格子のブレーズ角は、ここで使用するレーザ波長1064[nm]近辺において、入射光と１次回折光とが格子面の溝斜面に対して鏡面反射の関係、つまりリトロー配置となるという条件の下で、回折効率が最良になるように設計されている。また、ここでは溝本数は900本/mmである。種々の溝本数の回折格子について設計上の回折効率の計算結果を図５に示す。なお、この回折効率はS偏光での相対回折効率である。図５に見られるように、回折効率は目的の波長範囲近傍で概ね90％以上であり、十分な効率であるといえる。

図２に示した回折格子１におけるレーザパルスに対する損傷閾値は、レーザパルスが入射する入射角に依存する。このことを検証するために、波長1064[nm]のNd:YAGレーザ光をパルス的に回折格子に垂直入射した場合（図２中の法線方向に入射した場合）と溝斜面に略直交する方向に入射した（以下、これを「リトロー配置入射」という）場合とにおける損傷閾値を実験で評価した。損傷閾値の評価は、回折格子の１箇所に１回（１パルス）のレーザ光照射を行い、その照射位置と照射エネルギを変えながら損傷が生じるまで繰り返す1-on-1法で行った。レーザ光のパルス幅は10[ns]、格子面でのレーザ照射ビーム径は1.1[mm]である。ただし、この評価実験では、回折格子による戻り光がそのままレーザ光源に戻ると該光源の破損のおそれがあるので、厳密なリトロー配置入射ではなく、入射角を厳密な意味でのリトロー配置入射から少しずらすようにした。

この実験結果を図３に示す。垂直入射時の損傷閾値は0.59[J/cm²]であるのに対し、リトロー配置入射では損傷閾値は1.38[J/cm²]と２倍以上に向上していることが確認できる。一般に電磁波は尖った形状の部分に集中することが知られており、ブレーズド回折格子にレーザ光が入射した場合、そのレーザ光による電磁波は鋸波状の尖った凸部先端に集中すると考えられる。その結果、この凸部先端に強い電界が生じ、それによる熱等により反射膜の損傷が起こると推定される。入射するレーザ光に直交する面内での反射膜の断面積が小さいほど、電界集中の程度は高いと考えられるので、電界集中の程度が最も低いのが溝斜面に対し略垂直にレーザ光が入射する状態である。こうしたことから、リトロー配置入射は、損傷閾値を高める上で最良であると考えられる。

さらにまた、Au膜厚を厚くすることの効果を確認するべく、Au膜厚を変化させたときの損傷閾値についても同様の方法で調べた。図４はその実験結果を示す図である。なお、図４には、回折格子ではなくAu膜を反射面とした全反射ミラーについて同様の手法で損傷閾値を調べた結果も示している。全反射ミラーでは理想的には上記のような電界集中が起こらないため、全反射ミラーの損傷閾値は回折格子として実現し得る損傷閾値の上限値（換言すれば理想値）を示していると捉えることができる。図４で分かるように、Au膜厚を厚くすることでリトロー配置入射での損傷閾値は確実に向上するが、膜厚250[nm]でも膜厚400[nm]程度での垂直入射時とほぼ同等の損傷閾値が達成できていることが分かる。また、リトロー配置入射では全反射ミラーにかなり近い損傷閾値を達成できており、損傷閾値においてはかなり優れていることも分かる。

上述したように、本実施例の回折格子は、使用するレーザ波長1064[nm]近辺において、入射光と１次回折光とが格子面の溝斜面に対して鏡面反射の関係になるという条件の下で、回折効率が最良になるように設計されており、また、該回折格子に上記のようにレーザ光が入射するときにその損傷閾値はかなり高くなる。図１に示したようなダブルパス構成のパルス圧縮器２０においては、ミラー２０３で反射されたレーザパルスが１段目の回折格子２０１に戻って来る際に、そのレーザパルスは時間的に圧縮され且つ照射径も絞られているため、最も大きな負荷が掛かる。そこで、ミラー２０３で反射され２段目の回折格子２０２で回折された光が図２に示した回折格子１の溝斜面に略直交する方向に入射するように、該回折格子を１段目の回折格子２０１として配置している。一方、２段目の回折格子２０２は、上記ミラー１９からの入射光の進行方向に対しちょうど反対方向であるミラー２０３からの反射光が溝斜面に略直交する方向に入射するように配置してある。それによって、このレーザ装置において、パルス圧縮器２０に或る程度大きな出力のレーザパルスを入射しても、該パルス圧縮器２０の回折格子２０１、２０２は損傷を受けることなく、大きな出力のレーザパルスを取り出すことが可能となる。

図１に示したレーザ装置ではパルス圧縮器がダブルパス構成であるが、上記回折格子はシングルパス構成のパルス圧縮器にも使用することができる。図６はシングルパス構成のパルス圧縮器の概略構成図である。このパルス圧縮器２０Ｂは、図１中のパルス圧縮器２０と同様に、互いに格子面を対向させて平行に配置された一対の回折格子２０１Ｂ、２０２Ｂを含むが、反射ミラーを有さない。１段目の回折格子２０１Ｂによる角度分散は２段目の回折格子２０２Ｂで相殺されるため、異なる波長成分を持って１段目の回折格子２０１Ｂに入射した平行ビームは２段目の回折格子２０２Ｂから出射する際にも平行となる。ただし、それら異なる波長成分を持つ光の光路長は調整されており、２段目の回折格子２０２Ｂから出射する時点で、前後に引き伸ばされていたパルスは時間的に圧縮される。

この構成では、レーザパルスは往復しないため、１段目の回折格子２０１Ｂよりも２段目の回折格子２０２Ｂに対し大きな負荷が掛かる。そこで、１段目の回折格子２０１Ｂで回折された光が図２に示した回折格子１の溝斜面に略直交する方向に入射するように、該回折格子を２段目の回折格子２０２Ｂとして配置している。これにより、パルス圧縮器２０Ｂに或る程度大きな出力のレーザパルスを入射しても、該パルス圧縮器２０Ｂの回折格子２０１Ｂ、２０２Ｂは損傷を受けることなく、大きな出力のレーザパルスを取り出すことが可能となる。

なお、上記実施例はいずれも本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、追加、修正を行っても、本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。具体的には、上記実施例に示した回折格子は、使用するレーザ波長が1064[nm]である場合の一例であり、レーザ波長が異なるときには、それに応じて格子本数、ブレーズ角等を適宜設計することは言うまでもない。こうした設計手法自体は既知のものである。

１…回折格子
１０…レーザ発振器
１１、１８…ハーフミラー
１２…パルス拡張器
１２２、１２５…回折格子
１２３…アフォーカルレンズ
１２６…ミラー
１３、１４、１５、１７、１９…ミラー
１６…レーザ増幅器
２０、２０Ｂ…パルス圧縮器
２０１、２０２、２０１Ｂ、２０２Ｂ…回折格子
２０３…ミラー
２…レプリカ基板
３…樹脂層
４…Au層

Claims (2)

1. チャープパルス増幅法を用いたレーザ装置であって、
   格子面が対向するように平行配置された同一形状の第１、第２なる２枚の回折格子と、該第１の回折格子及び該第２の回折格子を経たレーザパルスを反射させ該第２の回折格子及び該第１の回折格子へと順に入射させる反射鏡と、を含むパルス圧縮器を備え、
   前記第１、第２の回折格子は、少なくともその表面が金属反射膜で被覆された断面鋸波状溝を有する反射型ブレーズド回折格子であって、使用されるレーザパルスの波長において、入射するレーザパルスの入射角と１次回折光とが溝斜面に対し鏡面反射の関係になり、且つ所定の回折効率が得られるように定められたブレーズ角を有してなり、
   前記パルス圧縮器では、前記第２の回折格子から前記第１の回折格子に入射して来るレーザパルスが、該第１の回折格子の溝斜面に対し略垂直に入射するように、それら２枚の回折格子が配置されてなることを特徴とするレーザ装置。
2. チャープパルス増幅法を用いたレーザ装置であって、
   格子面が対向するように平行配置された同一形状の第１、第２なる２枚の回折格子を含み、該２枚の回折格子を経たレーザパルスを取り出すパルス圧縮器を備え、
   前記第１、第２の回折格子は、少なくともその表面が金属反射膜で被覆された断面鋸波状溝を有する反射型ブレーズド回折格子であって、使用されるレーザパルスの波長において、入射するレーザパルスの入射角と１次回折光とが溝斜面に対し鏡面反射の関係になり、且つ所定の回折効率が得られるように定められたブレーズ角を有してなり、
   前記パルス圧縮器では、前記第１の回折格子から前記第２の回折格子に入射して来るレーザパルスが、該第２の回折格子の溝斜面に対し略垂直に入射するように、それら２枚の回折格子が配置されてなることを特徴とするレーザ装置。

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