JPWO2009090935A1 - 光増幅器 - Google Patents

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Abstract

光増幅器（１０）は、第１および第２の多重パス増幅器（１１，１２）と、励起光源（１３）と、ビームスプリッタ（１５）とを備える。第２の多重パス増幅器（１２）は、光パルスが光増幅媒質を複数回通過するように進むための光路に設けられ、入力された光パルスのエネルギーを減衰させる光減衰部を含む。さらに、励起光源（１３）からの励起光パルスはビームスプリッタ（１５）によって２つの光パルスに分割される。これら２つのパルスが第１および第２の多重パス増幅器（１１，１２）にそれぞれ入力される。これにより、光増幅器（１０）から出力される光パルスのエネルギーの変動を、励起光パルスのエネルギーの変動よりも小さくできる。

Description

本発明は光増幅器に関し、特に、レーザ発振器から出力された光パルスを増幅する光増幅器に関する。
現在、レーザ光（以下、「レーザ」と呼ぶ場合がある）はさまざまな分野で利用される。またレーザ光に関する研究および開発も盛んに行なわれている。たとえば、パルスレーザの出力を増加させる方法、あるいはその出力を安定化させる方法が研究されている。
パルスレーザの出力を増加させる技術として、ＭＯＰＡ（Master Oscillation Power Amplifier）が知られている。ＭＯＰＡとは、レーザ発振器（以下、単に「発振器」と呼ぶ場合がある）からの微弱パルスを増幅器により増幅する方法あるいはその方式を採用したシステムのことである。
ＭＯＰＡに用いられる増幅器は、一般的に、多重パス増幅方式あるいは再生増幅方式を用いて光パルスを増幅する。多重パス増幅方式とは、増幅器内部の光増幅媒質に光パルスを複数回通すことによって、その光パルスを増幅する方式である。また、再生増幅方式とは、たとえば偏光の制御等により、所望のパス回数まで光パルスを増幅器中に閉じ込めることによって光パルスを増幅する方式である。
パルスレーザから発せられる光パルスのパルス幅が数百ナノ秒以下である場合、増幅器の内部ではマイクロ秒以下の時間内に光増幅が終了する。このため光増幅器から出力される光パルスのエネルギーを安定させることは容易ではない。
光パルスのエネルギーを安定化させる技術について、たとえば、非特許文献１（Strohkendl et al, "High stable amplification of femtosecond pulses", J.Opt.Soc.Am.B，Vol.11,No.5,pp742-749(1994)）では、１段の多重パス増幅器を有するＭＯＰＡシステムにおいて、パスの多重度を最適化することにより出力エネルギーを安定化させる方法が開示されている。
たとえば非特許文献２（Chu et al, "A versatile 10-TW laser system with robust passive controls to achieve high stability and spatiotemporal quality", Appl.Phys.B79,pp193-201(2004)）では、増幅器の利得を十分に飽和させることによって、励起光源の出力変動に対する増幅器への影響を抑える方法が開示されている。
たとえば非特許文献３（Oksenhendler et al, "Femtosecond laser pulse energy self-stabilization", Appl.Phys.B79,pp933-935(2004)）では、パルスレーザ装置から出力される光パルスの強度を検出して、超高速で動作する光変調器によりそのパルスのエネルギーを調整する方法が開示されている。
Strohkendl et al, "High stable amplification of femtosecond pulses", J.Opt.Soc.Am.B，Vol.11,No.5,pp742-749(1994) Chu et al, "A versatile 10-TW laser system with robust passive controls to achieve high stability and spatiotemporal quality", Appl.Phys.B79,pp193-201(2004) Oksenhendler et al, "Femtosecond laser pulse energy self-stabilization", Appl.Phys.B79,pp933-935(2004)
図６は、ＭＯＰＡを採用した従来の増幅方法を説明する図である。図６を参照して、光パルス増幅システム２００は、発振器１０１と、増幅器１１１〜１１３と、拡大レンズ１１６，１１７と、励起光源１２１〜１２３とを含む。
発振器１０１は、シードパルスを発生する。上述したように、このシードパルスは微弱な光パルス（たとえばエネルギーが１（ｎＪ）の光）である。増幅器１１１〜１１３の各々は、多重パス増幅器である。増幅器１１１〜１１３の各々には光増幅媒質（図示せず）が含まれる。励起光源１２１〜１２３は、増幅器１１１〜１１３にそれぞれ対応して設けられ、対応する増幅器に含まれる光増幅媒質に励起光を照射する。これにより、光増幅媒質が励起される。励起状態にある光増幅媒質は、自身に入力された光パルスを増幅する。
拡大レンズ１１６は増幅器１１１と増幅器１１２との間に設けられ、増幅器１１１から出力された光パルスの径を広げる。同様に、拡大レンズ１１７は増幅器１１２と増幅器１１３との間に設けられ、増幅器１１２から出力された光パルスの径を広げる。
なお、増幅器１１１の利得は増幅器１１２の利得および増幅器１１３の利得に比較して極めて大きく設定される。ここでは利得を（増幅後の光パルスのエネルギー）／（増幅前の光パルスのエネルギー）と定義する。たとえば増幅器１１１の利得、増幅器１１２の利得、増幅器１１３の利得を、それぞれ、１０６、１０２、１０１とする。したがって、シードパルスのエネルギーが１（ｎＪ）である場合、光パルス増幅システム２００は、１（Ｊ）のエネルギーを有する光パルスを出力する。このように、光パルス増幅システム２００は、複数の増幅器を備えることによって、微弱なパルスから大きなエネルギーを有する光パルスを生成することが可能になる。
ここで、１段目の増幅器（増幅器１１１）の利得は大きいので、非特許文献１に開示される方法を適用すれば、増幅器１１１から出力される光パルスのエネルギーを安定化させることが可能になると考えられる。
しかし、２段目の増幅器および３段目の増幅器では、その利得が小さいために、出力される光パルスのエネルギーの変動を抑制することは困難と考えられる。したがって、光パルス増幅システム２００から出力される光パルスのエネルギーの変動を抑制することが困難と考えられる。この理由に付き説明する。
図７は、パス多重度と出力パルスのエネルギーとの関係を説明する図である。なお、図７は上述の非特許文献１に詳細に説明されている。したがって以下ではパス多重度と出力パルスのエネルギーとの関係の概略を説明する。
図７を参照して、曲線は、パスの多重度（Pass Number）に対する出力（Jout/Jsat）の関係を表す。Joutは出力フルーエンス（Output fluence）であり、Jsatは、光増幅媒質の飽和フルーエンス（saturation fluence）である。
図７では、５本の曲線を１つの単位として、各単位に数値（１０−３，１０−５等）が付与されている。この数値は、増幅器の入力フルーエンス（Jin）に対する飽和フルーエンスの比（Jin/Jsat）を表す。数値が大きいほど増幅器に入力されるパルスのエネルギーが大きいことを表す。
また、各単位に対応する５本の曲線は、励起エネルギーの変動を表わす。５本の曲線が互いに重なりあうことは、励起エネルギーの変動によらず、出力パルスのエネルギーが安定していることを表している。たとえば（Jin/Jsat）が１０−９の場合、パスの多重度を約４０以上に設定することにより、出力パルスのエネルギーを安定させることが可能になる。
一方、増幅器１１２、１１３の各々に入力される光パルスのエネルギーは比較的大きい。さらに、増幅器１１２、１１３の各々に求められる利得が小さいため、各増幅器１１２、１１３のパス多重度は小さい（たとえば４〜５）。図７に示したパス多重度と光増幅器の出力との関係から、入力パルスのエネルギーが大きく、かつ、パス多重度が小さい場合には、励起エネルギーの変動に応じて出力パルスのエネルギーが変動することが分かる。したがって、増幅器１１２、１１３の各々に入力される励起光パルスのエネルギーが変動すると、各増幅器から出力される光パルスのエネルギーも変動する。
以上の理由により、非特許文献１に示された方法によれば、多段の増幅器を含む光パルス増幅システムから出力される光パルスのエネルギーを安定化させることは困難である。
さらに、非特許文献２に示された方法では、増幅器の出力の変動を励起エネルギーの変動より小さくすることが困難である。
さらに、非特許文献３に示された方法を適用する場合、光伝導スイッチの寿命が短いという課題がある。また、この方法を適用するための光パルスの波長およびエネルギーの条件が制限される。
本発明は、上述の課題を解決するものであって、その目的は、出力を安定化させることが可能な光増幅器を提供することである。
本発明は要約すれば、光増幅器であって、第１の増幅器と、第２の増幅器とを備える。第１の増幅器は、第１の光パルスにより励起され、かつ、その励起状態において、入力されるレーザ光パルスを増幅する第１の光増幅媒質と、レーザ光パルスが第１の光増幅媒質を複数回通過するための第１の光路を形成する第１の光学系とを含む。第２の増幅器は、第２の光パルスにより励起され、かつ、その励起状態において、入力される増幅光を増幅する第２の光増幅媒質と、増幅光が第２の光増幅媒質を複数回通過するための第２の光路を形成する第２の光学系と、第２の光路に設けられて、自身に入射した増幅光のエネルギーを減衰させる光減衰部とを含む。光増幅器は、第１および第２の光増幅媒質を励起するための励起光パルスを発生させる励起光源と、励起光源からの前記励起光パルスを、前記第１および第２の光パルスに分割する第１のパルス分割部とをさらに備える。
好ましくは、第１の光路に沿って進むレーザ光パルスが第１の光増幅媒質を通過する回数は、第２の光路に沿って進む増幅光が第２の光増幅媒質を通過する回数と同じである。
好ましくは、光増幅器は、強度調整部をさらに備える。強度調整部は、第１の光増幅媒質に入力される第１の光パルスのエネルギーと、第２の光増幅媒質に入力される第２の光パルスのエネルギーとの比が所定値となるように、第１および第２の光パルスの少なくとも一方のパルスの強度を調整する。
より好ましくは、第１の光路に沿って進むレーザ光パルスが第１の光増幅媒質を通過する回数は、第２の光路に沿って進む増幅光が第２の光増幅媒質を通過する回数と同じである。
さらに好ましくは、強度調整部は、第１の増幅器から出力される増幅光の強度の所定時間内における平均値および第２の増幅器から出力される出力光の強度の所定時間内における平均値が一定となるように、少なくとも一方のパルスの強度を調整する。
好ましくは、光増幅器は、第２のパルス分割部と、第３の増幅器とをさらに備える。第２のパルス分割部は、第２の光パルスから第３の光パルスを抽出する。第３の増幅器は、第２の増幅器と同じ構成を有する。第３の増幅器は、第３の光パルスと第２の増幅器からの出力光とを受けることにより出力光を増幅する。
本発明に係る光増幅器に含まれる増幅器の個数の最大値は３に限定されるものではなく、３より多くてもよい。すなわち、本発明に係る光増幅器は、たとえば上記第１から第３の増幅器に加えて第４の増幅器あるいは第４および第５の増幅器を含んでもよい。
本発明によれば、複数の多重パス増幅器を含む光増幅器において、その光増幅器から出力される光パルスのエネルギーを安定化させることが可能になる。
実施の形態１に従う光増幅器１０を含む光パルス増幅システム１００の概略構成図である。 Franz-Nodvikの式を用いた数値解析結果を示した図である。 図２に示した数値解析結果を説明するための概念図である。 図１に示した光パルス増幅システム１００の構成の具体例を示す図である。 図４に示す光パルス増幅システム１００において、多重パス増幅器１２に入力される励起パルスのエネルギーを変化させたときの、平均出力エネルギーと、出力エネルギーの標準偏差とを測定した結果を示す図である。 ＭＯＰＡを採用した従来の増幅方法を説明する図である。 パス多重度と出力パルスのエネルギーとの関係を説明する図である。 実施の形態２に係る光パルス増幅システムの具体例を示す図である。 減衰器１７および１８の具体的な構成の例を示す第１の図である。 減衰器１７および１８の具体的な構成の例を示す第２の図である。 実施の形態３に従う光増幅器を含む光パルス増幅システム１００Ｂの概略構成図である。
符号の説明
１，１０１ 発振器、２ パルス伸長器、５ 光アイソレータ、６Ａ，６Ｂ 凸レンズ、７Ａ，７Ｂ 光増幅媒質、８Ａ〜８Ｄ 凹面鏡、９Ａ〜９Ｄ，９３ 偏光子、１０ 光増幅器、１１，１２，１２Ａ 多重パス増幅器、１３，１２１〜１２３ 励起光源、１４，１５Ａ，１５Ｃ，２３〜２５，３１〜３９，４１，４２，５１，５３〜５５，６１〜６８，８２ 反射鏡、１５，１５Ｂ，２２，５２ ビームスプリッタ、１６，１６Ａ，１１６，１１７ 拡大レンズ、１７，１７Ａ，１８ 減衰器、２０Ａ，２０Ｂ，９５ ポッケルスセル、２１，９１ １／２波長板、４５ 凸面鏡、７１〜７４ 石英板、８１，８３ 受光素子、８４ 制御装置、９２ モータ、９６ ドライバ、１００，１００Ａ，２００ 光パルス増幅システム、１１１〜１１３ 増幅器、Ｐ１，Ｐ２ 光路。
以下において、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
［実施の形態１］
図１は、実施の形態１に従う光増幅器１０を含む光パルス増幅システム１００の概略構成図である。
図１を参照して、光パルス増幅システム１００は、シードパルス（レーザ光パルス）を発生させる発振器１と、発振器１からのシードパルスを増幅して出力する光増幅器１０とを備える。
光増幅器１０は、多重パス増幅器１１、１２と、励起光源１３と、ビームスプリッタ１５と、拡大レンズ１６と、減衰器１７とを含む。
発振器１からのシードパルスは、多重パス増幅器１１によって増幅される。多重パス増幅器１１から出力された光パルス（増幅光）は、拡大レンズ１６を通り、多重パス増幅器１２に入力される。多重パス増幅器１２は、入力された光パルス（増幅光）を増幅して出力する。拡大レンズ１６は多重パス増幅器１１と多重パス増幅器１２との間に設けられ、多重パス増幅器１１からの光パルスの径を広げる。
このように、光パルス増幅システム１００は、複数の増幅器を備えることによって、微弱なパルスから大きなエネルギーを有する光パルスを生成することが可能になる。多重パス増幅器１１の利得および多重パス増幅器１２の利得は、光増幅器１０に求められる利得に応じて適切に定められる。
多重パス増幅器１１、１２の各々は光増幅媒質（図示せず）を含む。光増幅媒質は固体、液体、気体のいずれであってもよい。たとえば固体の光増幅媒質として、チタンサファイアあるいはＮｄ：ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）などを用いることができる。
励起光源１３は、その光増幅媒質を励起するための光パルスを発する。ビームスプリッタ１５は、励起光源１３からの励起光パルスを第１および第２の光パルスに分割する。第１の光パルスのエネルギーと第２の光パルスのエネルギーとの比率は、たとえば実験結果に基づいて定められる。なお、この比率は、第２の励起光パルスのエネルギーが第１の励起光パルスのエネルギーより大きくなるように定められる。これは多重パス増幅器１１から出力される光パルスのエネルギーよりも、多重パス増幅器１２から出力される光パルスのエネルギーを大きくするためである。
第１の光パルスは、多重パス増幅器１１に入力され、多重パス増幅器１１に含まれる光増幅媒質を励起する。第２の光パルスは減衰器１７を通過することにより、その強度（エネルギー）が弱められる。減衰器１７を通過した第２の光パルスは多重パス増幅器１２に入力され、多重パス増幅器１２に含まれる光増幅媒質を励起する。
多重パス増幅器１１、１２の各々の内部では、レーザ光パルスが励起状態の光増幅媒質を複数回通ることにより、その光パルスが増幅される。この増幅方式は、多重パス増幅方式および再生増幅方式のいずれでもよい。したがって、本明細書ではこれらの方式を「多重パス増幅方式」と総称することにする。
一般的には、第１の光パルスのエネルギーと第２の光パルスのエネルギーとの比率が予め設計した値とおりになるようにビームスプリッタ１５を製作することは困難である。減衰器１７によって、その第２の光パルスを減衰させることにより多重パス増幅器１１および多重パス増幅器１２にそれぞれ入力される２つの光パルスのエネルギーの比率を所定の比率に保つことが可能になる。なお減衰器１７は、入力される光パルスのエネルギーを無段階に調整できる（減衰できる）ことが好ましい。
また、減衰器１７に加えて、あるいは減衰器１７に代えて、第１の光パルスのエネルギーを調整できる（減衰できる）減衰器が設けられていてもよい。
本実施の形態では、励起光源１３からの励起光パルスがビームスプリッタ１５によって第１および第２の光パルスに分割されることにより、その励起光パルスのエネルギーの変動が第１および第２の光パルスのエネルギーの変動に反映される。すなわち励起光パルスのエネルギーが上昇した場合には、第１の光パルスのエネルギーおよび第２の光パルスのエネルギーはともに上昇する。一方、励起光パルスのエネルギーが低下した場合には、第１の光パルスのエネルギーおよび第２の光パルスのエネルギーはともに低下する。
さらに、多重パス増幅器１２の内部には、レーザ光パルスが通る光路に設けられて、自身に入射したレーザ光パルスのエネルギーを減衰させる光減衰部が設けられる。これによって、光増幅器１０から出力される光パルスのエネルギーを安定化させることが可能になる。
なお、図１には、第２の光パルスは、反射鏡１５Ａにより減衰器１７に導かれる。ただし、第２の光パルスを減衰器１７に直接的に入力してもよい。この場合には反射鏡１５Ａは不要である。
次に、本実施の形態に従う光増幅器１０についてより詳しく説明する。多重パス増幅器１１，１２の各々による光パルスの増幅については、Franz-Nodvikの式を用いて説明することができる。Franz-Nodvikの式は、以下の式（１）に従って表わされる。
Figure 2009090935
ここで、ｐはパス多重度（pass number）であり、Jinは入力フルーエンス（input fluence）であり、Joutは出力フルーエンス（output fluence）であり、Jsatは飽和フルーエンス（saturation fluence）である。Ｇ0 (p)は小信号利得（small signal gain）であり、以下の式（２）によって示される。
Figure 2009090935
Jsto (p)は光増幅媒質に蓄積され、増幅作用によって取り出すことが可能なフルーエンスを表わす。
本実施の形態では、このFranz-Nodvikの式において、Jin(p+1)=Jout(p)×Tとする。Ｔは、透過率である（０＜Ｔ＜１）。つまり、本実施の形態では、光増幅媒質を通過したレーザ光パルスを減衰させて、その減衰した光を光増幅媒質に再度入力する。
図２は、Franz-Nodvikの式を用いた数値解析結果を示した図である。なお、図２は、１段目の多重パス増幅器および２段目の多重パス増幅器にチタンサファイア多重パス増幅器（パス多重度は４）を用いた光増幅器により光パルスを増幅する場合の数値解析結果を示した図である。
図２を参照して、図中の「Ｌｏｓｓ」は２段目の多重パス増幅器でのパス毎の損失を示す。なお、１段目の多重パス増幅器ではパス毎の損失はゼロである。
図２に示した結果を得るための計算条件についてさらに説明する。１段目の多重パス増幅器の励起フルーエンスを２段目の多重パス増幅器の励起フルーエンスの２倍に設定した。図２のグラフにおける上側の横軸のスケールは、１段目の増幅器の励起フルーエンスを示す。一方、グラフの下側のスケールは、２段目の増幅器の励起フルーエンスを示す。
また、１段目の多重パス増幅器による光パルスの増幅後に、ビーム（光パルス）の直径が４倍に広げられる（フルーエンスが元の１／１６になる）とともに、その広げられたビームが２段目の多重パス増幅器に入射される場合を想定している。１段目の多重パス増幅器に入射するシードパルスのフルーエンスは１０−７[J/cm2]である。
図２に示されるように、２段目の多重パス増幅器からの出力フルーエンスは小信号利得係数に応じて変化する。まず２段目の多重パス増幅器においてパス毎にレーザ光パルスのエネルギーの損失が生じない場合（損失が０％の場合）について説明する。小信号利得係数が約１．５以上となる場合、小信号利得係数と出力フルーエンスとの関係を示す曲線は原点を通る直線（図中、破線で示す）と重なる。このことは、飽和増幅の場合、多重パス増幅器から出力されるパルスのエネルギーの安定性が、小信号利得係数の安定性に依存することを表わす。つまり、損失が０％の場合、２段目の多重パス増幅器から出力されるパルスのエネルギーの変動を、励起エネルギーの変動より小さくすることは困難である。
一方、損失を５％、１０％、１５％と変化させることにより、小信号利得係数によらず多重パス増幅器から出力されるパルスのエネルギーを安定させることが可能になる。たとえば損失が３０％の場合には、小信号利得係数がおよそ２．２の付近で出力フルーエンスが変化しない安定領域が現れる。この領域に含まれる小信号利得係数で２段目の多重パス増幅器を動作させることによって、励起光パルスのエネルギーが多少変動しても、２段目の多重パス増幅器から出力されるパルスのエネルギーの変動を抑制することができる。言い換えると、励起光源の出力変動に対する増幅器の出力の安定化を実現できる。
図３は、図２に示した数値解析結果を説明するための概念図である。図３および図１を参照して、まず、励起光源１３の出力変動により、１段目の増幅器（多重パス増幅器１１）に入力される励起光パルス（第１の光パルス）のエネルギーが変動する。したがって、多重パス増幅器１１の出力が変動する。
多重パス増幅器１２の内部においてパス毎の損失が生じない場合には、多重パス増幅器１２における出力は破線に示されるように変動する。２段目の増幅器（多重パス増幅器１２）に入力される励起光パルス（第２の光パルス）のエネルギーは第１の光パルスのエネルギーと同様に変動する。つまり、第１の光パルスのエネルギーが増加すると第２の光パルスのエネルギーも増加するので、多重パス増幅器１２から出力されるパルスのエネルギーは大きくなる。一方、第１の光パルスのエネルギーが低下すると第２の光パルスのエネルギーも低下するので、多重パス増幅器１２から出力されるパルスのエネルギーは小さくなる。これにより各パスにおける利得が変動する。
なお、各パス（光パルスが光増幅媒質を通過した回数）における直線の傾きは光パルスの利得を表わす。パス数が大きくなるにつれて利得が小さくなる。これは、光パルスが励起状態の光増幅媒質を通過することによって光増幅媒質に蓄積されるエネルギーの一部が取り出されるため、光パルスが増幅される一方、光増幅媒質に蓄積されたエネルギーが次第に減少するためである。
次に、多重パス増幅器１２の内部においてパス毎の損失が生じる場合について説明する。図３中の実線は、多重パス増幅器１２の内部においてパス毎の損失が生じる場合のパルスのエネルギーの変化を示す。
多重パス増幅器１１からの出力がその変動範囲における最大値である場合、パス数が１および２のときには、光増幅媒質から多くのエネルギーが取り出される。パス数が３および４のときには、光増幅媒質に残るエネルギーが少ないので、光増幅媒質の利得が小さくなる。一方、光パルスが光増幅媒質を通過するたびに光パルスが増幅されるものの、光パルスのエネルギーの損失も発生する。この結果、パス数が１および２の場合には光パルスは増幅されるものの、パス数が３および４の場合には、光パルスが減衰する。
一方、多重パス増幅器１１からの出力がその変動範囲における最小値である場合、パス数が２のときに光増幅媒質に入力される光パルスのエネルギーは、１パス〜３パスの各々において損失が生じる場合の光パルスのエネルギーよりも小さい。したがって、光増幅媒質から取り出されたエネルギーも、パスごとの損失がない場合に光増幅媒質から取り出されたエネルギーより小さい。これにより、パス数が３および４の場合においても光パルスが増幅される。この結果、多重パス増幅器１１の出力の変動に比較して、多重パス増幅器１２の出力の変動を小さくすることが可能になる。
なお、１パスあたりの光パルスのエネルギーの損失の割合、および励起エネルギーの変動等に応じて、光パルスのエネルギーの損失が生じるパスの数が定められる。したがって、すべてのパスにおいて損失を生じさせる必要はない。
図４は、図１に示した光パルス増幅システム１００の構成の具体例を示す図である。なお図４では光パルスの光路を矢印によって示す。
図４を参照して、発振器１は、たとえばフェムト秒レベルのパルス幅を有する光パルスを発生させる。パルス伸長器２は、発振器１からのパルスを受けて、そのパルスの幅を広げる。パルス伸長器２からのパルスがシードパルスとして光増幅器１０に入力される。
光増幅器１０は、多重パス増幅器１１，１２と、励起光源１３と、反射鏡１４と、ビームスプリッタ１５と、拡大レンズ１６と、減衰器１７，１８と、反射鏡４１，４２とを含む。
多重パス増幅器１１は、光アイソレータ５と、凸レンズ６Ａ，６Ｂと、光増幅媒質７Ａと、凹面鏡８Ａ，８Ｂ，８Ｃと、偏光子９Ａ，９Ｂと、ポッケルスセル２０Ａと、１／２波長板２１と、ビームスプリッタ２２と、反射鏡２３〜２５，３１〜３９とを含む。
光増幅媒質７Ａは、チタンサファイア結晶である。励起光源１３は励起光パルスを発生させる。
励起光源１３は、たとえばＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザ、およびＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザから発せられる光の高調波を発生させる非線形素子により構成される。励起光源１３からの励起光パルスは、反射鏡１４により反射され、ビームスプリッタ１５により２つの光パルスに分割される。２つの光パルスのうちの一方は、減衰器１８を通り、ビームスプリッタ２２により２つの光パルスに分割される。ビームスプリッタ２２から出力される２つの光パルスの一方は、反射鏡２３，２４によって、チタンサファイア結晶（光増幅媒質７Ａ）の一方の端面に入力される。ビームスプリッタ１５から出力される２つの光パルスの他方は、反射鏡２５によって、チタンサファイア結晶（光増幅媒質７Ａ）の他方の端面に入力される。光増幅媒質７Ａに入力される２つの光パルスによって光増幅媒質７Ａが励起される。
図４では、多重パス増幅器１１における光パルスの光路を光路Ｐ１と示す。パルス伸長器２からのシードパルスは、この光路Ｐ１を通る。
パルス伸長器２からのシードパルスは、反射鏡３１で反射して、光アイソレータ５、凸レンズ６Ａ、６Ｂを通る。光アイソレータ５は、光パルスを反射鏡３１から反射鏡３２の方向にのみ通すためのものである。凸レンズ６Ｂを通った光パルスは、反射鏡３２，３３によって光増幅媒質７Ａに入力され、かつ光増幅媒質７Ａを通過する（１パス）。
光増幅媒質７Ａを通過した光は、凹面鏡８Ａに達する。凹面鏡８Ａに達した光パルスは、反射鏡３４、凹面鏡８Ｂの各々で反射して光増幅媒質７Ａを通過する（２パス）。
光増幅媒質７Ａを通過した光は、凹面鏡８Ｃに達する。凹面鏡８Ｃに達した光パルスは、凹面鏡８Ｃ、反射鏡３６および反射鏡３７の各々で反射して偏光子９Ａに入力される。偏光子９Ａに入力された光パルスは、偏光子９Ａ、ポッケルスセル２０Ａ、１／２波長板２１、偏光子９Ｂを通過する。ポッケルスセル２０Ａは、電気的に光パルスの偏光方向を切り換える。偏光子９Ａ、ポッケルスセル２０Ａ、１／２波長板２１、偏光子９Ｂは、シードパルスを間引く役割を果たす。
偏光子９Ｂを通過した光パルスは、反射鏡３８，３９の各々で反射することにより凹面鏡８Ｃに達する。光パルスは凹面鏡８Ｃで反射することにより光増幅媒質７Ａを通過する（３パス）。
光増幅媒質７Ａを通過した光パルスは、凹面鏡８Ｂ、反射鏡３５、凹面鏡８Ａの各々で反射して、光増幅媒質７Ａを通過する（４パス）。
光増幅媒質７Ａを通過した光パルスは、反射鏡４１および４２によって、拡大レンズ１６に導かれる。
拡大レンズ１６は、凸面鏡４５および凹面鏡８Ｄを含む。反射鏡４１で反射した光パルスは、凸面鏡４５および凹面鏡８Ｄで反射することにより、その径が広げられる。凹面鏡８Ｄで反射した光パルスは、多重パス増幅器１２に入力される。
多重パス増幅器１２は、光増幅媒質７Ｂと、偏光子９Ｃ，９Ｄと、ポッケルスセル２０Ｂと、ビームスプリッタ５２と、反射鏡５１，５３〜５５，６１〜６８と、石英板７１〜７４とを含む。
図４では、多重パス増幅器１２における光パルスの光路を光路Ｐ２と示す。凹面鏡８Ｄからの光パルスは、この光路Ｐ２を通る。
光増幅媒質７Ｂは、光増幅媒質７Ａと同様に、チタンサファイア結晶である。上述したようにビームスプリッタ１５からの２つの光パルスの一方は、減衰器１８を通る。これに対し、これら２つの光パルスの他方は、減衰器１７を通る。減衰器１７を通った光パルスは反射鏡５１によって反射され、さらにビームスプリッタ５２により２つの光パルスに分割される。ビームスプリッタ５２から出力される２つの光パルスの一方は、反射鏡５４，５５によって、チタンサファイア結晶（光増幅媒質７Ｂ）の一方の端面に入力される。ビームスプリッタ５２から出力される２つの光パルスの他方は、反射鏡５３によって、チタンサファイア結晶（光増幅媒質７Ｂ）の他方の端面に入力される。光増幅媒質７Ｂに入力される２つの光パルスによって光増幅媒質７Ｂが励起される。
凹面鏡８Ｄからの光パルス（増幅光）は偏光子９Ｃに入力される。偏光子９Ｃに入力された光パルスは、偏光子９Ｃ、ポッケルスセル２０Ｂ、および偏光子９Ｄを通過する。偏光子９Ｄから出力された光パルスは、反射鏡６１，６２の各々で反射して光増幅媒質７Ｂに入力され、かつ光増幅媒質７Ｂを通過する（１パス）。
光増幅媒質７Ｂを通過した光パルスは、石英板７２，７１を通過する。石英板７２，７１は、各々の表面が光パルスの光路Ｐ２に対して斜めとなるように設置される。これにより石英板７２，７１を通過した光パルスが減衰する。石英板７１を通過した光パルスは、反射鏡６３，６４の各々で反射して光増幅媒質７Ｂに入力され、かつ光増幅媒質７Ｂを通過する（２パス）。
光増幅媒質７Ｂを通過した光パルスは、石英板７４，７３を通過する。石英板７４，７３は、各々の表面が光パルスの光路Ｐ２に対して斜めとなるように設置される。これにより石英板７４，７３を通過する光パルスが減衰する。石英板７３を通過した光パルスは、反射鏡６５，６６の各々で反射して光増幅媒質７Ｂに入力され、かつ光増幅媒質７Ｂを通過する（３パス）。
光増幅媒質７Ｂを通過した光は、石英板７２，７１を通過することによって減衰される。石英板７１を通過した光パルスは、反射鏡６７，６８の各々で反射して光増幅媒質７Ｂに入力され、かつ光増幅媒質７Ｂを通過する（４パス）。光増幅媒質７Ｂを通過した光は光増幅器１０から出力される。
図４に示す光パルス増幅システム１００から出力される光パルス（出力光）のエネルギーの変動を測定した。なお、測定に関する条件を以下に示す。発振器１には、チタンサファイアモードロック発振器を用いた。チタンサファイアモードロック発振器から出力されるパルスの中心波長は約８００（ｎｍ）であり、そのパルス幅（時間幅）は約１００（ｆｓ）であり、その繰り返し周波数は８０（ＭＨｚ）であった。さらに、このパルスのエネルギーは１０（ｎＪ）であった。パルス伸長器２から出力されるパルスのパルス幅は約４００（ｐｓ）であった。
励起光源１３には、ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器、およびＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器からの光パルスを受けて、その光パルスの２倍高調波を発生させる非線形素子を用いた。励起光源１３から発せられる励起光パルスの波長は約５３２（ｎｍ）であった。ビームスプリッタ１５により、励起光源１３からの光パルスは、約９０（ｍＪ）のエネルギーを有する光パルスと約４５０（ｍＪ）のエネルギーを有する光パルスとに分割された。ビームスプリッタ２２および５２には、１：１ビームスプリッタを用いた。
さらに、ポッケルスセル２０Ａによりパルスを間引くことにより、パルスの繰り返し周波数を１０（Ｈｚ）に設定した。多重パス増幅器１１から出力される光パルスのエネルギーは７（ｍＪ）であった。
多重パス増幅器１２において、石英板７２，７１によるエネルギーの損失の割合、および石英板７４，７３によるエネルギーの損失の割合は３０％であった。
上述の条件に従って光パルス増幅システム１００を動作させたときの出力パルスのエネルギーの変動を測定した結果を図５に示す。
図５は、多重パス増幅器１２に入力される励起光パルスのエネルギーを変化させたときの、平均出力エネルギーと、出力エネルギーの標準偏差とを測定した結果を示す図である。なお、平均出力エネルギーを算出するためのパルス数を５００とした。
図５を参照して、励起エネルギーの増加に応じて出力パルスのエネルギーが増加するとともに、標準偏差が低下する。なお、励起光パルスエネルギーが約４５０ｍＪであるとき、出力パルスのエネルギーの平均値は約９３ｍＪであり、標準偏差はその平均値の０．３％となった。励起光パルスのエネルギーの標準偏差は約１．７％であった。つまり出力パルスのエネルギーの標準偏差は、多重パス増幅器１２に入力される励起光パルスのエネルギーの標準偏差の約１／５となった。
なお、励起光源１３からの励起光パルスのエネルギーは、ビームスプリッタ１５によって所定の比率で分割される。同様に減衰器１７は、所定の減衰率で入力される光パルスを減衰させる。したがって、励起光源１３からの励起光パルスのエネルギーの標準偏差は、多重パス増幅器１２に入力される励起光パルスのエネルギーの標準偏差と同程度と考えられる。したがって、図５の結果は、光増幅器１０より出力される光パルスのエネルギーの変動を、励起光源１３から発せられた励起光パルスのエネルギーの変動よりも小さくできることを示している。
このように本実施の形態によれば、光増幅器１０は、多重パス増幅器１１，１２と、励起光源１３と、ビームスプリッタ１５とを備える。多重パス増幅器１２の内部では、光パルスが光増幅媒質を複数回通過するように進むための光路に設けられ、入力された光パルスのエネルギーを減衰させる光減衰部を含む。さらに、励起光源１３からの励起光パルスはビームスプリッタ１５によって２つの光パルスに分割される。これら２つのパルスが多重パス増幅器１１，１２にそれぞれ入力される。これにより、光増幅器１０から出力される光パルスのエネルギーの変動を、励起光パルスのエネルギーの変動よりも小さくできる。
また、本実施の形態では、多重パス増幅器１１におけるパス数と多重パス増幅器１２におけるパス数とが同じである。したがって、多重パス増幅器１１，１２を、ほぼ同じ構成とすることができる。これにより、光増幅器１０の構成を簡素化することができる。
［実施の形態２］
図８は、実施の形態２に係る光パルス増幅システムの具体例を示す図である。図８および図４を参照して、光パルス増幅システム１００Ａは、受光素子８１，８３と、反射鏡８２と、制御装置８４とをさらに備える点において光パルス増幅システム１００と異なる。光パルス増幅システム１００Ａの他の部分の構成は、光パルス増幅システム１００の対応する部分の構成と同様であるので、以後の説明は繰返さない。
受光素子８１，８３は、たとえばフォトダイオードにより構成される。受光素子８１は、反射鏡４１を透過した光を受光するとともに、受けた光の強度を示す信号Ｓ１を出力する。反射鏡８２は、多重パス増幅器１２からの出力光を反射させる。ただし、多重パス増幅器１２からの出力光の一部は反射鏡８２を透過する。受光素子８３は、反射鏡８２を透過した光を受光するとともに、受けた光の強度を示す信号Ｓ２を出力する。
受光素子８１が受ける光の強度は、多重パス増幅器１１から出力される光の強度に応じて変化する。よって、信号Ｓ１の強度は多重パス増幅器１１から出力される光の強度に応じて変化する。同様に、受光素子８３の受光強度は、多重パス増幅器１２から出力される光の強度に応じて変化する。よって、信号Ｓ２の強度は多重パス増幅器１２から出力される光の強度に応じて変化する。
制御装置８４は、信号Ｓ１に応じて減衰器１８を制御することにより、減衰器１８の減衰率を制御する。同様に制御装置８４は、信号Ｓ２に応じて減衰器１７を制御することにより、減衰器１７の減衰率を制御する。
図９は、減衰器１７および１８の具体的な構成の例を示す第１の図である。図９を参照して、減衰器１７は、１／２波長板９１と、１／２波長板９１を回転させるモータ９２と、偏光子９３とを備える。制御装置８４は、信号Ｓ２に応じてモータ９２を制御することにより、１／２波長板９１の回転角度を制御する。これにより減衰器１７の減衰率が制御される。なお、減衰器１８の構成は減衰器１７の構成と同様である。減衰器１８の減衰率を制御する場合、制御装置８４は、信号Ｓ１に応じてモータ９２を制御することにより、１／２波長板９１の回転角度を制御する。
１／２波長板９１および偏光子９３を組み合わせるとともに、１／２波長板９１の回転角度を変化させることによって、減衰器１７および１８の偏光状態を変化させることが可能になる。これにより減衰器１７および１８の減衰率を制御することが可能になるので、減衰器１７および１８を通過した光（図中、光線Ｌにより示す）の強度を調整することが可能になる。
図１０は、減衰器１７および１８の具体的な構成の例を示す第２の図である。図１０を参照して、減衰器１７は、ポッケルスセル９５と、ポッケルスセル９５に電圧を印加するドライバ９６とを備える。
ポッケルスセル９５に印加される電圧は、制御装置８４により制御される。制御装置８４は、信号Ｓ２に応じてドライバ９６を制御することにより、ドライバ９６からパルス電圧を出力する。ポッケルスセル９５は、ドライバ９６から出力されたパルス電圧が印加されることによって、その偏光方向を変化させる。これによりポッケルスセル９５の透過率が変化する。ポッケルスセル９５の透過率を変化させることにより減衰器１７の減衰率が変化する。
減衰器１８の構成は減衰器１７の構成と同様である。制御装置８４は、信号Ｓ１に応じてドライバ９６を制御することにより、ドライバ９６からパルス電圧を出力する。これによりポッケルスセル９５の透過率が変化する。すなわち減衰器１８の減衰率が変化する。
ポッケルスセル９５の透過率を変化させることによって減衰器１７（および１８）の減衰率を制御することが可能になる。よって、減衰器１７および１８を通過した光（図中、光線Ｌにより示す）の強度を調整することが可能になる。
実施の形態２では、制御装置８４は信号Ｓ１に応じて光減衰器１８の減衰率を変化させるとともに信号Ｓ２に応じて光減衰器１７の減衰率を変化させる。上述のように、信号Ｓ１の強度は、多重パス増幅器１１から出力される光の強度をそれぞれ示す。光減衰器１８の減衰率を変化させることにより、第１の光パルスの強度が調整される。信号Ｓ１に応じて光減衰器１８の減衰率を変化させることにより、多重パス増幅器１１から出力される光の強度の所定時間内における平均値を安定させるフィードバック制御を実現できる。同様に、信号Ｓ２に応じて光減衰器１７の減衰率を変化させることにより、多重パス増幅器１２から出力される光の強度の所定時間内における平均値を安定させるフィードバック制御が実現できる。
たとえば制御装置８４は、受光素子８１の受光強度が低下した場合には、光減衰器１８の減衰率を小さくすることにより、光減衰器１８から出力される光の強度を大きくする。制御装置８４は、受光素子８１の受光強度が大きくなった場合には、光減衰器１８の減衰率を大きくすることにより、光減衰器１８から出力される光の強度を小さくする。制御装置８４による光減衰器１７の制御は、制御装置８４による光減衰器１８の制御と同様であるので以後の説明は繰返さない。
実施の形態２によれば、実施の形態１による効果を得ることができる。さらに実施の形態２によれば、上記のフィードバック制御により、光パルス増幅システムから出力される光の強度を長時間にわたり安定させることが可能になる。
なお、多重パス増幅器１１，１２の各々から出力される光の強度を測定するための構成は図８に示す構成に限定されず、他の構成を採用してもよい。
［実施の形態３］
図１１は、実施の形態３に従う光増幅器を含む光パルス増幅システム１００Ｂの概略構成図である。図１１および図１を参照して、光パルス増幅システム１００Ｂは、多重パス増幅器１２Ａと、ビームスプリッタ１５Ｂと、反射鏡１５Ｃと、拡大レンズ１６Ａと、減衰器１７Ａとをさらに備える点において、光パルス増幅システム１００と異なる。光パルス増幅システム１００Ｂの他の部分の構成は、光パルス増幅システム１００の対応する部分の構成と同様であるので、以後の説明は繰返さない。
多重パス増幅器１２Ａの構成は多重パス増幅器１２の構成と同様である（図４あるいは図８を参照）。ビームスプリッタ１５Ｂは、第２の光パルスを２つの光パルスに分割する。その２つの光パルスの一方は、減衰器１７に入力され、その２つの光パルスの他方は減衰器１７Ａに入力される第３の光パルスである。すなわちビームスプリッタ１５Ｂは、第２の光パルスから第３の光パルスを抽出する。
第３の光パルスは減衰器１７Ａを通過することにより、その強度（エネルギー）が弱められる。減衰器１７Ａを通過した第３の光パルスは多重パス増幅器１２Ａに入力されて、多重パス増幅器１２Ａに含まれる光増幅媒質を励起する。
なお、第３の光パルスを減衰器１７Ａに直接的に入力してもよい。この場合には反射鏡１５Ｃは不要である。
実施の形態３によれば、多重パス増幅器１２の後段に、多重パス増幅器１２と同様の構成を有する多重パス増幅器１２Ａが設けられる。多重パス増幅器１２Ａは多重パス増幅器１２から出力された光パルスを増幅する。よって、光増幅器１０から出力される光の強度をより高めることができる。さらに、減衰器１７Ａが、第３の光パルスを減衰させることにより、第１の光パルスのエネルギーに対する第３の光パルスのエネルギーの比（および第２の光パルスのエネルギーに対する第３の光パルスのエネルギーの比）を所定の比率に保つことが可能になる。なお、減衰器１７Ａは、入力される光パルスのエネルギーを無段階に調整できる（減衰できる）ことが好ましい。
第３の光パルスのエネルギーは、励起光源１３からの励起光パルスのエネルギーの変動に応じて変動する。さらに多重パス増幅器１２Ａの内部には、レーザ光パルスが通る光路に設けられて、自身に入射したレーザ光パルスのエネルギーを減衰させる光減衰部が設けられる（図４あるいは図８を参照）。よって、実施の形態３によれば、実施の形態１と同様に、光増幅器１０から出力される光パルスのエネルギーを安定化させることが可能になる。
なお、図４および図８に示した構成において、少なくとも凹面鏡８Ａ，８Ｂ，８Ｃおよび反射鏡３１〜３９は、本発明における「第１の光学系」を構成する。また、少なくとも反射鏡６１〜６８は、本発明における「第２の光学系」を構成する。石英板７１〜７４は、本発明における「光減衰部」を構成する。減衰器１７，１８は、本発明における「強度調整部」を構成する。
また、本発明における「光減衰部」は、光路Ｐ２を通る光パルスのエネルギーを減衰させるものであれば、石英板に限定されるものではない。たとえば、「光減衰部」は、ＮＤ（Neutral Density）フィルタにより実現されてもよい。
また、本実施の形態に係る光パルス増幅システムに含まれる多重パス増幅器の数は２あるいは３に限定されるものではなく、４以上であってもよい。すなわち本実施の形態に係る光パルス増幅システムは、少なくとも２つの多重パス増幅器を含んでいればよい。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明は、レーザ光パルスを発生させるレーザ光発生装置に利用可能である。

Claims (6)

  1. 第１の光パルスにより励起され、かつ、その励起状態において、入力されるレーザ光パルスを増幅する第１の光増幅媒質（７Ａ）と、前記レーザ光パルスが前記第１の光増幅媒質（７Ａ）を複数回通過するための第１の光路（Ｐ１）を形成する第１の光学系（８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，３１−３９）とを含む第１の増幅器（１１）と、
    第２の光パルスにより励起され、かつ、その励起状態において、前記第１の増幅器（１１）が増幅した前記レーザ光パルスである前記増幅光を受けた場合に前記増幅光を増幅する第２の光増幅媒質（７Ｂ）と、前記増幅光が前記第２の光増幅媒質（７Ｂ）を複数回通過するための第２の光路（Ｐ２）を形成する第２の光学系（６１−６８）と、前記第２の光路（Ｐ２）に設けられて、自身に入射した前記増幅光のエネルギーを減衰させる光減衰部（７１−７４）とを含む第２の増幅器（１２）と、
    前記第１および第２の光増幅媒質（７Ａ，７Ｂ）を励起するための励起光パルスを発生させる励起光源（１３）と、
    前記励起光源（１３）からの前記励起光パルスを、前記第１および第２の光パルスに分割する第１のパルス分割部（１５）とを備える、光増幅器。
  2. 前記第１の光路（Ｐ１）に沿って進む前記レーザ光パルスが前記第１の光増幅媒質（７Ａ）を通過する回数は、前記第２の光路（Ｐ２）に沿って進む前記増幅光が前記第２の光増幅媒質（７Ｂ）を通過する回数と同じである、請求の範囲第１項に記載の光増幅器。
  3. 前記光増幅器は、
    前記第１の光増幅媒質（７Ａ）に入力される前記第１の光パルスのエネルギーと、前記第２の光増幅媒質（７Ｂ）に入力される前記第２の光パルスのエネルギーとの比が所定値となるように、前記第１および第２の光パルスの少なくとも一方のパルスの強度を調整する強度調整部（１７，１８）をさらに備える、請求の範囲第１項に記載の光増幅器。
  4. 前記第１の光路（Ｐ１）に沿って進む前記レーザ光パルスが前記第１の光増幅媒質（７Ａ）を通過する回数は、前記第２の光路（Ｐ２）に沿って進む前記増幅光が前記第２の光増幅媒質（７Ｂ）を通過する回数と同じである、請求の範囲第３項に記載の光増幅器。
  5. 前記強度調整部（１７，１８）は、前記第１の増幅器（１１）から出力される前記増幅光の強度の所定時間内における平均値および前記第２の増幅器（１２）から出力される出力光の強度の前記所定時間内における平均値が一定となるように、前記少なくとも一方のパルスの強度を調整する、請求項４に記載の光増幅器。
  6. 前記光増幅器は、
    前記第２の光パルスから第３の光パルスを抽出する第２のパルス分割部（１５Ｂ）と、
    前記第２の増幅器（１２）と同じ構成を有し、かつ、前記第３の光パルスと前記第２の増幅器（１２）からの出力光とを受けることにより前記出力光を増幅する第３の増幅器（１２Ａ）とをさらに備える、請求の範囲第１項に記載の光増幅器。
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