JPWO2014118925A1 - レーザパルス圧縮用回折格子を用いたレーザ装置 - Google Patents
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Abstract
チャープパルス増幅法を用いたレーザ装置にあってレーザパルスを圧縮するパルス圧縮器(20)は、格子面が対向するように平行配置された同一形状の2枚の回折格子(201、202)と、該回折格子(201、202)を経たレーザパルスを反射させて再び該回折格子へと入射させる全反射ミラー(203)と、を含む。各回折格子(201、202)は、その表面がAu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り、使用されるレーザパルスの波長において、パルス圧縮器(201)に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り、且つ所定の回折効率が得られるように定められたプレーズ角を有する。溝斜面に対し略垂直にレーザパルスが入射するため、高い損傷閾値が得られ、高出力のレーザパルスを得ることができる。
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。
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、及び該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は、チャープパルス増幅法を用いたレーザ装置にあって、格子面が対向するように平行配置された同一形状の2枚の回折格子を含むパルス圧縮器に用いられる回折格子において、
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プレーズ角を有することを特徴としている。
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プレーズ角を有することを特徴としている。
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、上記発明に係る回折格子をパルス圧縮器における回折格子として使用したレーザ装置において、
パルス圧縮器は、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及び第2の回折格子を経たレーザパルスを反射させ、第2及び第1の回折格子へと順に入射させる反射鏡と、を含み、第2の回折格子から第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枚の回折格子を配置した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。
パルス圧縮器は、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及び第2の回折格子を経たレーザパルスを反射させ、第2及び第1の回折格子へと順に入射させる反射鏡と、を含み、第2の回折格子から第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枚の回折格子を配置した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、上記発明に係る回折格子をパルス圧縮器における回折格子として使用したレーザ装置において、
パルス圧縮器は、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枚の回折格子を経たレーザパルスを取り出すものであり、第1の回折格子から第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枚の回折格子を配置した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。
パルス圧縮器は、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枚の回折格子を経たレーザパルスを取り出すものであり、第1の回折格子から第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枚の回折格子を配置した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、溝斜面に対し略垂直にレーザパルスを入射させることができる。
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。
なお、本発明に係るレーザパルス圧縮用回折格子は、好ましくは、所定の断面鋸波状溝が形成されたマスター回折格子の格子溝の表面に金属反射膜を形成し、該金属反射膜とレプリカ基板とを樹脂材を介して密着させたあとに、該レプリカ基板をマスター回折格子から剥離させ、前記金属反射膜をレプリカ基板に反転接着させることで格子面が形成されてなるレプリカ回折格子とするとよい。
これにより、低廉なコストで安定した性能を有する回折格子を得ることができる。
本発明に係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、この発明による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発明に係る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。
以下、本発明の一実施例による回折格子及びそれを用いたレーザ装置について、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122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は本発明に係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。
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、本発明に係る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
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
上記課題を解決するために成された本発明は、チャープパルス増幅法を用いたレーザ装置にあって、格子面が対向するように平行配置された同一形状の2枚の回折格子を含むパルス圧縮器に用いられる回折格子において、
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することを特徴としている。
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することを特徴としている。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (5)
- チャープパルス増幅法を用いたレーザ装置にあって、格子面が対向するように平行配置された同一形状の2枚の回折格子を含むパルス圧縮器に用いられる回折格子において、
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プレーズ角を有することを特徴とするレーザパルス圧縮用回折格子。 - 請求項1に記載のレーザパルス圧縮用回折格子であって、
所定の断面鋸波状溝が形成されたマスター回折格子の格子溝の表面に金属反射膜を形成し、該金属反射膜とレプリカ基板とを樹脂材を介して密着させたあとに、該レプリカ基板をマスター回折格子から剥離させ、前記金属反射膜をレプリカ基板に反転接着させることで格子面が形成されてなるレプリカ回折格子であることを特徴とするレーザパルス圧縮用回折格子。 - 請求項2に記載のレーザパルス圧縮用回折格子であって、
前記金属反射膜は金薄膜であることを特徴とするレーザパルス圧縮用回折格子。 - 請求項1〜3のいずれかに記載のレーザパルス圧縮用回折格子をパルス圧縮器における回折格子として使用した、チャープパルス増幅法を用いたレーザ装置であって、
パルス圧縮器は、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及び第2の回折格子を経たレーザパルスを反射させ、第2及び第1の回折格子へと順に入射させる反射鏡と、を含み、第2の回折格子から第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枚の回折格子を配置したことを特徴とするレーザ装置。 - 請求項1〜3のいずれかに記載のレーザパルス圧縮用回折格子をパルス圧縮器における回折格子として使用した、チャープパルス増幅法を用いたレーザ装置であって、
パルス圧縮器は、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枚の回折格子を経たレーザパルスを取り出すものであり、第1の回折格子から第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枚の回折格子を配置したことを特徴とするレーザ装置。
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