JPH08248349A - レーザパルス延長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、整数または整数でない係数で光パ
ルスの持続時間を延長するための装置に関する。 【解決手段】 光パルスは、初期光線を多くの部分に分
割する装置を通過し、この場合、第１部分は妨害されず
に通過するが、光線の後続部分は種々の遅延期間の後に
遅れてシステムを通過し、この結果としてパルス持続時
間の所望の延長が得られる。この新しい装置の基本的構
成部分は、相対する球面鏡、特別反射器、及び平行移動
板である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原パルスの持続時
間の約８倍またはそれ以上の所望の倍数に高エネルギー
レーザパルスの持続時間を延長するための手段と方法に
関する。この装置は単純かつ安価であり、これまで問題
のあるいくつかの解決方法のみによって取り扱われてき
た上記目的の便利な解決方法を提供する。

【０００２】

【従来の技術】短パルスの形でエネルギーを放出する形
式のレーザがいくつかある。ある種の適用例では、この
エネルギーを延長されたパルス長（かつそれに対応して
低減されたピーク出力）で利用することが必要となる。

【０００３】高エネルギーパルスでは通常そうである。
これらのレーザでは、ビーム断面内部のエネルギー分布
はパルスごとに変わる可能性があり、通常はビーム断面
内部のエネルギー分布を均質化することが必要である。

【０００４】パルスの時間と出力の関係を変化させるた
めに、いくつかの手法が考えられてきた。その一つはレ
ーザ自体の変調を変えることであったが、これは放電の
物理的性質によって制限されることが時々あり、したが
って光学的方法が必要となる。

【０００５】パルス幅を延長するための従来の手法は、
部分反射器の組合せを使用してエネルギーを分割し、次
いでエネルギーの種々の部分をある一定の距離を進んだ
後に反射させ、それによって必要な遅延を蓄積するとい
うものである。この方法の一例として、パルス幅を３倍
に延長する場合を考えてみる。第１の部分反射器は３３
％に近い反射係数を有し、したがってエネルギーの６７
％は、完全なパルス幅に対応する遅延の後に反射係数５
０％の次の部分反射器に達するまで進むことになる。

【０００６】このエネルギーの５０％、すなわち全エネ
ルギーの約３３％は、反射されて戻る（こうして第１反
射器によって反射された最初の３３％に追従する）。

【０００７】エネルギーの最後の３３％は第２の反射器
を通過し、さらにパルス幅と同じだけの遅延の後に１０
０％の反射に達し、最初の二つの部分に追従する。

【０００８】この最後の二つの部分は、戻る途中で部分
反射器を通過しなければならず、それぞれ二次分割のた
めにエネルギーの一部分を失うことになる（第２反射器
によって反射されたエネルギーの３３％は、第１の３３
％反射器を通過しなければならないが、このエネルギー
の６７％だけが通過する）。この二次反射は強度が次第
に低下する「尾部」として現れる。

【０００９】このシステムの利点は、平面部分反射器を
使用することによって、エネルギー分布の変化に対して
敏感でないことである。

【００１０】遅延が長いとまた、（凹面反射器を使用し
て遅延をするなど）光線発散のためのある種の補償手段
を組み込むことが必要となり、したがって遅延が単純透
過式のものではなく結像型のものになる。

【００１１】このシステム固有の欠点は、二次反射によ
る「尾部」に伝達されるエネルギーのパーセンテージで
ある。通常、このエネルギーを利用することはできず、
これは重大な損失である。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、特定の装置
に応じて原光パルスの持続時間の約８倍またはそれ以上
の所望の倍数で短光パルスを延長するための装置に関す
る。本発明はまた、光パルス延長の方法、特に短い光パ
ルスを延長する方法に関する。

【００１３】この装置と方法は、特に、高出力レーザか
ら得られるような極めて短い光パルスの持続時間を延長
することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本質的に、この装置は、
光パルスが光線の各通過中に所定の「ステップ」だけ光
線の平行移動を伴いながら何回か反射するような装置で
ある。この新規の装置は大きな利点を有し、利点の一つ
は、その光パルス持続時間延長過程中のエネルギー損失
が非常に少ないことである。本質的に、本発明による装
置は、共通の光軸を有する互いに向かい合った二つの球
面反射器と、所定の幅を持つ互いに平行な一連の透過エ
レメントと反射エレメントに分けられた特別反射器と、
平行移動板とを含み、透過エレメントと反射エレメント
の幅は同じでも異なってもよく、反射エレメントは光軸
に対して約４５°の角度で反射し、平行移動板は、反射
器に対して、光線部分の各通過ごとに所望の平行移動を
もたらすような角度で配置され、その結果、光軸と９０
°の角度で反射器に入射する光線の一部は妨害されずに
反射器を通過し、一方、光線の一部は球面反射器の間を
少なくとも一回通過してから所定の遅延を伴って同じ方
向に通過するようになっている。

【００１５】好ましい実施例によれば、特別反射器は、
一連の平行透過帯とこれらの間にある一連の反射帯を含
み、反射帯の幅は特定の各反射器において透過帯の幅の
一定倍数となっている。

【００１６】反射帯の幅と透過帯の幅の比は望みに応じ
て、１：２、１：３、または１：４であることが好まし
いが、いかなる所望の数字にすることもでき、また平行
移動板の寸法は、入射を移転するため、一方向から来る
光線部分を一つのゾーンの幅だけ平行移動させるような
寸法が好ましい。反射エレメントは、透明基板上の反射
帯または反射プリズムであることが好ましい。

【００１７】本発明の主な利点は次の通りである。

【００１８】ａ．「尾部」へのエネルギー損失がほとん
どない。

【００１９】ｂ．光学エレメントの個数が少ない。

【００２０】ｃ．較正手順が簡単である。

【００２１】本発明を、添付の概略図（原寸に比例せ
ず）を参照して例示的に説明する。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明を理解する助けとするため
に、例えば図３から図６に示すような３倍のパルス延長
においては次のことが起こる。入射する光線の３分の１
がパターンの透過部分を通過するが、これは、反射スト
ライプの幅が透過ストライプの幅の２倍（２：１）であ
ることによる。残りのエネルギーは循環し、平行移動板
によって光線は透過ストライプの幅だけシフトし、残る
２／３の半分が通過し、したがってエネルギーの１／３
が系から出る。最後の１／３は再度循環し、平行移動板
によってシフトし、したがってこれもシステムを出る。
平行移動板の角度とその屈折率によって光線の平行移動
の程度が決まり、これは上に説明したように選択され
る。

【００２３】４倍のパルス延長では、図７から図１０に
示すシステムを使用することができる。このシステム
は、寸法比が１：２である２通りのサイズのプリズムと
その間の透過通路とを含む。小さいプリズムのサイズが
１ｍｍであれば、大きいプリズムのサイズは２ｍｍであ
り、自由通路はやはり１ｍｍである。各図に示すよう
に、エネルギーの１／４は直接通過し、３／４は循環す
る。１０ナノ秒後にさらにエネルギーの１／４が出て行
き、３０ナノ秒後に次の１／４が、５０ナノ秒後に第３
の１／４が、そして７０ナノ秒後に最後の１／４が系か
ら出る。この場合も平行移動板は、この例では１ｍｍ
（小さいプリズムのサイズ）だけ光線を水平に対してシ
フトさせる。

【００２４】図１に示すように、本発明によるパルス延
長装置は、共通軸１３上で相対する二つの球面鏡１１、
１２と通過焦点１４、特別反射器１５、及び平行移動板
１６を含む。入射する光線１７は光路によって示される
ように反射を受け、平行移動板１６が存在するためにず
れる。図１の装置で使用する特別反射器を図２に示す。
この反射器においては、矩形のプレートが連続する複数
の反射ゾーン２１と透過ゾーン２２を含み、そのうちの
二つ２１、２２が反射器周期２３を規定する。図ではこ
れらのゾーンの一部だけを示す。

【００２５】入射するパルスは特別反射器に到達する
が、これは図２に示すように片面を反復パターンでコー
ティングした平面の板である。

【００２６】反射器の周期は光線の幅よりもはるかに小
さく（例えば１／２０）、光線が特別反射器に到達する
と、透過ゾーンに到達した部分のみが通過する。反射ゾ
ーンの幅と透過ゾーンの幅の比によってエネルギー分割
比と、後で述べるようにパルス延長係数が決まる。

【００２７】反射器周期は光線の寸法よりもはるかに小
さいので、透過されるエネルギーの割合はエネルギー分
布の変化の影響を全く受けない。

【００２８】入射する光線における反射ゾーンに到達す
る部分は、（特別反射器は光線に対して４５°の角度で
傾斜しているので）９０°の角度で偏向され、図１の右
側の球面反射器に到達する。

【００２９】球面反射器は入射する光線の軸に関して対
称であり、それらの焦点はこの軸上に位置する。

【００３０】光線が第１反射器に当たると、光線は（軸
上の）中点で集束し、次いで第２反射器に到達するまで
再度発散する。光線はその焦点を通ってこの反射器に来
るので、光線は反射して戻る。すなわち平行になって第
１反射器に戻る。

【００３１】この過程が繰り返され、光線は特別反射器
の反対側に戻る。これらの反射器の焦点距離は、経路全
体が（パルス幅と等しいかより大きい）必要な遅延を表
すような長さである。

【００３２】特別反射器は入射する光線の軸に対して４
５°の角度で傾斜しているので、両球面反射器の軸は入
射する光線の軸と直角であり、（遅延の後に）反射器の
背側に来る光線の部分は反射ゾーンの背側で像を結ぶ。
これらのゾーンは両側とも反射性である。

【００３３】特別反射器に到達する前に、光線は平行移
動板を通過する。これは有限の厚さを有する平坦な透過
板である。この板は光線軸に対して傾斜しており、した
がって光線がこの板を通過すると、光線は方向を変える
ことなく空間的にシフトする（これは光線が平行にされ
る部分で行われる）。

【００３４】このシフトは、平行移動板の厚さと屈折率
と傾斜の関数である。このため、反射した光線の部分は
反射ゾーンに当たらず、（別の回で）透過ゾーンを通過
することになる。

【００３５】反射ゾーンに当たる部分は、（直接通過し
て最初に特別反射器に当たる）パルスの第１部分に追従
する。次の回はこの過程を繰り返す。

【００３６】透過エレメントの不完全な透過性に起因す
る吸収損失といくらかの反射を除けば、「尾部」へのエ
ネルギーの損失はない。

【００３７】この方式全体は、パルス長を２倍または３
倍に延長するように機能する。より大きく延長する場合
は、反射された光線が適切な比で通過することができる
ように、特別反射器を修正しなければならなくなる。こ
れは、非平面特別反射器として「ベネチアンブライン
ド」段付き反射器を使用して行うことが可能である。

【００３８】図７から図１０に示すように、４倍パルス
延長用のシステムは、ベネチアンブラインド段付き反射
器、サイズの異なる多数のプリズム７１、７２、透過ゾ
ーン７３、反射ゾーン７４、及び再循環光線用の透過ゾ
ーン３４を含む。反射ゾーン３３は光線３５に対して４
５°の角度をなしている。

【００３９】図４から図６は、各段階、すなわちそれぞ
れ１０ナノ秒後、３０ナノ秒後、及び５０ナノ秒後にお
ける光線の経路を示す。

【００４０】さらに良く理解できるように、これらの各
状況において光線が通過するシステムの部分に陰をつけ
てある。

【００４１】図４から図６は図１の中央部分を拡大した
もので、特別反射器１５の部分と平行移動板１６の部分
だけを、図３に示すように概略的に示す。透過ストライ
プに入射する光が通過するのに対して、反射ストライプ
に入射する光が反射することは明白である。

【００４２】図３は、パルス持続時間を３倍に延長する
ための装置の部分を示す。反射器は、わかりやすいよう
に厚さゼロで示してある。実際には光線の平行移動は、
一部は反射器を通過することにより、また一部は平行移
動板を通過することによるものである。

【００４３】これらを通過する光線部分の平行移動によ
り、光軸に対するシフトが生じ、所定の横方向シフトを
もたらす設計によって、光線の所望の部分が反射板の透
過部分を通過する。

【００４４】図４は１０ナノ秒後の状況を図示する。入
射する光線は分割され、透過ゾーンに到達する部分は通
過して矢印の方向に出る。反射ゾーンに到達する光線部
分は右側に反射される。シーケンス全体を通じて光線は
図１に示された経路を通る。３０ナノ秒後には状況は図
５に示すようになる。入射する光線部分はその循環の一
部を完了し、このとき光軸に平行に左側から右側へ到達
する。特別反射器に到達する前に、これらの光線部分は
平行移動板を通過し、再び光軸に平行に、ただし平行移
動して現れ、その結果、反射器に達すると、光線部分４
４は出口の方に反射され、一方、光線部分４５はさらに
循環を継続する。

【００４５】さらに２０ナノ秒後における最初の光線の
残りの部分を図６に示す。この場合も、左側から到達
し、平行移動板によって平行移動されて出口に達する。
したがって、正味の結果として、簡単な光学的手段によ
って３倍のパルス持続時間延長が得られる。

【００４６】図７から図１０に示すように、４倍パルス
延長用のシステムは、ベネチアンブラインド段付き反射
器、サイズの異なる多数のプリズム７１、７２、透過ゾ
ーン７３、反射ゾーン７４、及び再循環光線用の透過ゾ
ーン３４を含む。反射ゾーン３３は光線３５に対して４
５°の角度をなす。

【００４７】図７から図１０に、４倍パルス延長をもた
らす類似のシーケンスを図示する。特別反射器は２組の
細長いプリズムを含み、それらの対角表面には反射性コ
ーティングがなされている。プリズムの部分７１は単位
寸法Ｘを有し、他の部分（同じ個数）７２は２倍のサイ
ズ、すなわち２Ｘを有する。単位寸法Ｘが０．４３ｍｍ
である場合には、大きな方のプリズムは２倍のサイズ
（０．８６ｍｍ）であり、それが平行移動板の寸法でも
あり、この板の屈折率は、この板を通過するときの光線
の偏向が０．８６ｍｍになるように選ばれる。

【００４８】プリズムのこの空間配置では、単位サイズ
のプリズムとダブルサイズのプリズムとが交互に置か
れ、したがって下記のような配置になる。

【００４９】

【表１】

【００５０】この反復配置が繰り返されて、セットされ
た全投影が入射する光線の全断面を包含するようにな
る。

【００５１】この反射器によって、反射ゾーンはなお光
線軸に対して４５°の角度で傾斜しているが、垂直方向
に離れてセットされているので、再循環する光線の大部
分は通過することができる。

【００５２】球面反射器のこの配置により、再循環する
光線が像を結び、その自然発散が遅延とともに増加しな
いことが保証される。

【００５３】数値例 次に３倍延長と４倍延長のための値を計算する。遅延要
素は延長の影響を受けず、ほとんどパルス幅によって決
まる。そこで遅延を計算し、その後に各場合に必要とさ
れる特別反射器を計算する。

【００５４】１．遅延発生 パルス持続時間が２０ナノ秒であるレーザを考える。こ
れは光速では６メートルになる。反射鏡間を光が移動す
るときは、光は鏡間距離の４倍より僅かに長い距離を移
動し、したがって鏡間距離は６／４＝１．５メートルに
なる。特別反射器は各反射鏡から約７５ｃｍの所にある
中心の近くに置かれる。平行移動板は反射器の１０ｃｍ
後方に位置する。

【００５５】２．反射器周期 反射器周期は光線寸法とホモジェナイザの設計によって
決まる。

【００５６】１０×３０ｍｍの光線と、サイズが５×５
ｍｍのホモジェナイザセルを仮定する。反射器はこの光
線と４５°の角度で交差するので、この寸法を３０／ｓ
ｉｎ４５°＝４２．４ｍｍとして考えるべきである。

【００５７】２．４ｍｍの反射器周期は、（良好な均質
化を保証する）各ホモジェナイザセルに少なくとも３周
期を挿入し、光線を４２．４／２．４＞１７サンプルに
分割するが、これはエネルギー分布の変化に対する感度
を減らす妥当な数字である。この周期はまた適当に容易
な製造範囲にある。

【００５８】３．３倍延長 パルスを７５ナノ秒に延長するためには、反射ゾーンの
幅を透過ゾーンの幅の２倍にしてエネルギーの３分の１
を通過させることが必要である。したがって透過ゾーン
の幅は２．４ｍｍ／３＝０．８ｍｍとなり、反射ゾーン
の幅は１．６ｍｍとなる。

【００５９】３．１ 平行移動 各循環ごとに、光線はその位置を反射器周期の３分の１
だけシフトする必要がある。このシフトは垂直方向のみ
なので、垂直平行移動は（２．４／３）×Ｓｉｎ４５°
＝０．５６５ｍｍとなる。この平行移動は一部は平行移
動板によって、また一部は特別反射器（この反射器は透
過板の上に作られ、これと交差する光線はシフトされ
る）用に使用される板によって達成され、このシフトは
無視できるものではないが、わかりやすいように、シフ
ト全体が平行移動板のみに起因するものとして扱うこと
にする（これは厚さがゼロの反射器を使用することと等
価である）。

【００６０】屈折率が１．５である厚さ５ｍｍの平行移
動板を想定する。０．５６５ｍｍの平行移動量を得るた
めには、この板を垂直軸から２０°傾斜させなければな
らない。

【００６１】図１において、平行移動板と厚さゼロの特
別反射器を示す概略図（原寸通りではない）を見ること
ができる。

【００６２】４．４倍延長 遅延と反射器周期の計算は変わらない。反射器の設計で
は、光線の４分の１が各循環ごとに反射して出て行くこ
とが必要である（すなわち最初の４分の１が直接出て行
き、他の４分の１が各循環ごとに出て行く）。もう一つ
の要件は、再循環する光線の４分の３が最初の循環の後
に反射器を通過することである。この要件のためにはい
くつかの解決策がある。図５に、１０、３０、５０、及
び７０ナノ秒後の展開状況を見ることができる。この解
決策における特別反射器は、空間的に固定されたいくつ
かの細長いプリズムから構成され、したがって反射表面
は入射する光線（及び遅延光線）に対して４５°の角度
で傾斜し、プリズム間の水平間隔はエネルギーの４分の
１を直接通過させて出すことができ、垂直間隔は反射器
周期の１／４または半分のいずれかであり、これによっ
て遅延光線部分が循環のために通過できることがわか
る。

【００６３】４．１ 寸法 反射器周期が変化する必要がないことはすでに述べた。
入射する光線の軸に沿って見ると、この周期（２．４×
Ｓｉｎ４５°＝１．７ｍｍ）は４つに、すなわちシング
ル反射ゾーン、ダブル反射ゾーン、及び透過ゾーンに分
割され、したがってこれは、このような各「サブゾー
ン」が１．７／４＝０．４３ｍｍの幅であることを意味
する。

【００６４】これによって次の寸法が定義される。

【００６５】− シングル反射器区間０．４３ｍｍ（反
射ゾーンはその対角の０．６ｍｍ幅）。

【００６６】− ダブル反射器区間は０．８５ｍｍ（反
射ゾーンはその対角の１．２ｍｍ幅）。

【００６７】− シングル反射器とダブル反射器の間の
水平間隔は０．４３ｍｍ及び０。

【００６８】− シングル反射器とダブル反射器の間の
垂直間隔は０．４３ｍｍ及び０．８５ｍｍ。

【００６９】４．２ 平行移動 図５に見ることができるように、垂直平行移動はダブル
反射器ゾーン区間と同じで、０．８５ｍｍである。

【００７０】この実施例では、反射器の厚さによる平行
移動を無視し、平行移動全体が平行移動板によって行わ
れる。

【００７１】同じ設計の平行移動板を使用する場合は、
必要な平行移動を得るためにこの板を３０．７°傾斜さ
せなければならない。

【００７２】整数以外の係数でパルス持続時間を延長す
ることが可能な手段で本発明による装置を設計すること
は可能である。次に、１．５倍の係数でパルス持続時間
を延長する方法を説明するが、これは、任意の所望の係
数によるこのような延長をどのように実施できるかを説
明するものである。

【００７３】実際的には二つの機能が存在する。すなわ
ち第１の機能はエネルギー比を決定し、ここでは決定要
素は特別反射器である。第２の機能は時間遅延によって
決定され、これは相対する二つの曲面反射器（球面、放
物面）の間の距離の関数である。

【００７４】例えば、係数１．５によるパルス延長に
は、特に次の二つのシステムを使用することができる。

【００７５】ａ．２倍パルス延長装置に使用される形式
の反射器を使用するが、パルス幅の半分の遅延に相当す
る距離に鏡を固定する。したがってエネルギーの半分は
直ちに出て行き、他の半分は出口でパルスの幅の半分だ
け遅延されることになる。これは、パルス透過の各段階
におけるエネルギー分布を示す図３を参照して例示され
る。

【００７６】ｂ．係数１．５によるパルス延長の別の方
法は、パルスエネルギーの３分の２を初期通過させ、残
りのエネルギーを遅延後に通過させる、特別反射器を使
用することである。

【００７７】これは、整数ではない係数によるパルス延
長装置の原理を例示するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】パルス延長装置の概要を示す図である。

【図２】特別反射器のコーティングを示す図である。

【図３】３倍パルス延長用のシステムの部分を示す図で
ある。

【図４】１０ナノ秒後における反射器の周りの光線の形
状を示す図である。

【図５】３０ナノ秒後における反射器の周りの光線の形
状を示す図である。

【図６】５０ナノ秒後における反射器の周りの光線形状
を示す図である。

【図７】４倍パルス延長装置における１０ナノ秒後の光
線の形状を示す図である。

【図８】図７の延長装置における３０ナノ秒後の状況を
示す図である。

【図９】５０ナノ秒後の状況を示す図である。

【図１０】７０ナノ秒後の状況を示す図である。

【符号の説明】

１１ 球面鏡 １２ 球面鏡 １３ 共通軸 １４ 焦点 １５ 特別反射器 １６ 平行移動板 １７ 入射する光線 ２１ 反射ゾーン ２２ 透過ゾーン ２３ 反射器周期 ３３ 反射ゾーン ３４ 透過ゾーン ３５ 光線 ４４ 光線部分 ４５ 光線部分 ７１ 小プリズム ７２ 大プリズム ７３ 透過ゾーン ７４ 反射ゾーン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ドブ・ザハビ イスラエル国、32298、ハイフア、イーラ ツト・ストリート・18

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 共通の光軸を有する互いに向かい合った
   二つの球面反射器と、所定の幅を持つ互いに平行な一連
   の透過エレメントと反射エレメントに分けられた特別反
   射器と、平行移動板とを含み、透過エレメントと反射エ
   レメントの幅は同じでも異なってもよく、反射エレメン
   トは光軸に対して約４５°の角度で反射し、平行移動板
   は、反射器に対して、光線部分の各通過ごとに共通光軸
   に対して垂直な所望の平行移動をもたらすような角度で
   配置され、その結果、光軸と９０°の角度で反射器に入
   射する光線の一部は妨害されずに反射器を通過し、一
   方、光線の一部は球面反射器の間を少なくとも一回通過
   してから所定の遅延を伴って同じ方向で出ていくように
   なっている、光パルスの持続時間を延長するための装置
   であって、 特別反射器が、一連の平行な透過帯とこれらの間にある
   一連の反射帯を含み、反射帯の幅は特定の各反射器にお
   いて透過帯の幅の一定倍数となっており、 反射帯の幅と透過帯の幅の比が１：２、１：３、または
   １：４、またはそれ以上であり、 平行移動板の寸法が、入射を移転するため、一方向から
   来る光線部分を一つのゾーンの幅だけ平行移動させるよ
   うな寸法であり、 反射エレメントが反射プリズムである装置。
2. 【請求項２】 鏡を互いに所定のパルス延長比に相当す
   る距離に置き、その結果、まずエネルギーの一部分のみ
   が通過し、所望の遅延の後に残りのエネルギーがそれに
   追従するようになっている、パルス持続時間を整数では
   ない係数で延長するための請求項１に記載の装置。