TWI502833B - 雷射脈衝壓縮用繞射光柵以及雷射裝置 - Google Patents

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Description

雷射脈衝壓縮用繞射光柵以及雷射裝置
本發明是有關於一種用以壓縮雷射脈衝的脈衝寬度的、脈衝壓縮器中所使用的雷射脈衝壓縮用的繞射光柵，以及將該繞射光柵用於脈衝壓縮器的雷射裝置。
作為以高輸出(高能量)產生脈衝寬度為f秒~p秒等級(order)的所謂的飛秒(femto second)雷射的雷射裝置，眾所周知，有使用了啁啾脈衝放大(CPA：Chirped Pulse Amplification)法的雷射裝置(參照專利文獻1等)。在利用了CPA法的雷射裝置中，利用脈衝擴張器擴大由雷射振盪器生成的雷射光的時間寬度(脈衝寬度)，藉此抑制波峰強度，然後藉由雷射放大器放大上述雷射光的輸出至不會損傷雷射介質的程度為止。然後，藉由脈衝壓縮器而與脈衝擴張器相反地將雷射脈衝在時間上進行壓縮，並使波峰強度提高對應於該壓縮的量且加以輸出。
由雷射振盪器生成的雷射脈衝雖然微小，但具有一定程度的波長寬度。脈衝擴張及脈衝壓縮是利用該波長寬度進行雷射光的脈衝寬度的擴張及壓縮，例如，脈衝擴張是藉由波長已在空 間上分散的波長不同的光通過不同的光路長度而實現。而且，脈衝壓縮以與上述相反的原理而實現。此種脈衝擴張器、脈衝壓縮器中，一般而言，利用了成對的相同構造的繞射光柵的繞射光柵對。
專利文獻2中揭示了一種利用了繞射光柵對的典型的脈衝壓縮器(雙程(double pass)構成)。亦即，該脈衝壓縮器包括：2片繞射光柵(亦即繞射光柵對)，將光柵面相對向而相互平行配置而成；以及鏡面(mirror)，使通過該繞射光柵對而來的雷射脈衝進行全反射、並再次入射至上述繞射光柵對。在該脈衝壓縮器中，被導入由雷射放大器所放大的雷射脈衝，在通過繞射光柵對之後、由鏡面反射且再次經過繞射光柵對而返回(亦即一個來回)的過程中，雷射脈衝的波長寬度變窄，藉此波峰強度提高。此種構成的脈衝壓縮器可縮小2片繞射光柵的間隔，從而具有有利於裝置的小形化的特徵。
如上述般，在使用了CPA法的雷射裝置中，由雷射放大器放大的能量大的雷射脈衝會碰撞到構成脈衝壓縮器的繞射光柵。因此，繞射光柵的光柵面(亦即反射面)的損傷成為問題。亦即，當在使用了CPA法的雷射裝置中實現高輸出時，脈衝壓縮器中所使用的繞射光柵的損傷臨限值(亦即能量耐受性)成為大的限制。為了改善脈衝壓縮器中所使用的繞射光柵的損傷臨限值，先前提出了如下方法，即：將繞射光柵表面的反射膜的膜厚增厚，且使用能量耐受性高的多層介電體膜來作為反射膜(參照專利文獻3、非專利文獻1)。此種方法對於改善損傷臨限值確實有效。然而，存在繞射光柵的成本增加，且雷射裝置的價格增高 的問題。
先前技術文獻
專利文獻
專利文獻1：美國專利申請案公開第2011/0026105號
專利文獻2：日本專利特開平9-211504號公報
專利文獻3：美國專利申請案公開第2012/0093191號
非專利文獻
非專利文獻1：布魯諾圖澤(Bruno Touzet)，「使超高能量．脈衝雷射的輸出倍增的多層膜介電體光柵 堀場技術報告(HORIBA Technical Reports)」，堀場製作所股份有限公司，[online]，[平成25年(2013年)1月18日檢索]，網際網路<URL：http：//www.horiba.com/uploads/media/R027-04-018_01.pdf>
本發明是為了解決上述課題而完成，其目的在於提供一種以低廉的成本便可確保高損傷臨限值的雷射脈衝壓縮用繞射光柵、以及利用了該繞射光柵的雷射裝置。
為了解決上述課題而完成的本發明是一種繞射光柵，其在使用了啁啾脈衝放大法的雷射裝置中，被用於包含以光柵面相對向的方式平行配置的同一形狀的2片繞射光柵的脈衝壓縮器中，上述繞射光柵的特徵在於：是具有至少其表面由金屬反射膜被覆的剖面鋸齒波形狀槽的反射型眩光繞射光柵，在所使用的雷射脈衝的波長中，入射的雷射脈衝的入射角與1次繞射光相對於槽斜面成為鏡面反射的關係，且具有以獲得規定的繞射效率的方式而規定的眩光角。
而且，為了解決上述課題而完成的本發明的第1形態的雷射裝置是使用了啁啾脈衝放大法的雷射裝置，且將上述發明的繞射光柵用作脈衝壓縮器中的繞射光柵，上述雷射裝置的特徵在於：脈衝壓縮器包括：2片繞射光柵，由以光柵面相對向的方式平行配置的同一形狀的第1繞射光柵、第2繞射光柵而構成；以及反射鏡，使經過了上述第1繞射光柵及第2繞射光柵的雷射脈衝反射，並依序入射至第2繞射光柵及第1繞射光柵，以自第2繞射光柵入射至第1繞射光柵而來的雷射脈衝相對於上述第1繞射光柵的槽斜面大致垂直地入射的方式，來配置上述2片繞射光柵。
亦即，該第1形態的雷射裝置中，脈衝壓縮器的光學系統為雙程構成。
而且，為了解決上述課題而完成的本發明的第2形態的雷射裝置是使用了啁啾脈衝放大法的雷射裝置，且將上述發明的繞射光柵用作脈衝壓縮器中的繞射光柵，上述雷射裝置的特徵在於：脈衝壓縮器是取出經過了2片繞射光柵的雷射脈衝的構件，上述2片繞射光柵是由以光柵面相對向的方式平行配置的同一形狀的第1繞射光柵、第2繞射光柵而構成，以自第1繞射光柵入射至第2繞射光柵的雷射脈衝相對於上述第2繞射光柵的槽斜面大致垂直地入射的方式，來配置上述2片繞射光柵。
亦即，該第2形態的雷射裝置中，脈衝壓縮器的光學系統為單程(single pass)構成。
在光柵面為剖面鋸齒波形狀的反射型眩光繞射光柵 中，由雷射脈衝產生的電磁波容易集中在尖形狀的光柵凸部，從而該部分的反射膜容易產生損傷。與此相對，本發明的繞射光柵中，在所使用的雷射脈衝的波長中，在入射而來的雷射脈衝的入射角與1次繞射光相對於槽斜面成為鏡面反射的關係的條件下，以獲得規定的繞射效率的方式來規定眩光角(blaze angle)，因而例如在將該繞射光柵設為一對而用於脈衝壓縮器的情況下，能夠使脈衝雷射相對於槽斜面大致垂直地入射。
在使雷射脈衝相對於眩光繞射光柵的槽斜面大致垂直地入射的情況下，電磁波朝向尖形狀的光柵凸部的集中得到緩和，例如與雷射脈衝向光柵面的法線方向入射的情況相比，不易產生反射膜的損傷。亦即，繞射光柵的損傷臨限值提高，因此，在將該繞射光柵用於脈衝壓縮器的雷射裝置中，可提高雷射輸出。而且，繞射光柵的繞射效率亦非常高，因而可抑制脈衝壓縮器中的雷射脈衝的能量損失，該點亦對於提高雷射輸出有利。而且，本發明的繞射光柵中，無須為了提高損傷臨限值而將反射膜的膜厚增厚至必要以上，亦無須使用製造步驟煩雜的介電體多層膜。藉此，可抑制製造成本。
另外，本發明的雷射脈衝壓縮用繞射光柵較佳為複製繞射光柵，上述複製繞射光柵藉由如下而構成：在形成著規定的剖面鋸齒波形狀槽的主繞射光柵的光柵槽的表面形成金屬反射膜，且在將上述金屬反射膜與複製基板經由樹脂材料密接後，將上述複製基板自主繞射光柵剝離，並使上述金屬反射膜反轉黏接於複製基板，而形成光柵面。
藉此，以低廉的成本便可獲得具有穩定性能的繞射光 柵。
根據本發明的雷射脈衝壓縮用繞射光柵，無須使用如介電體多層膜這樣的特殊構造，便可確保高損傷臨限值，並且對於所要求的波長亦可達成高繞射效率。因此，作為使用了CPA法的雷射裝置的脈衝壓縮器，藉由使用本發明的繞射光柵，可在抑制成本的同時實現高輸出。
而且，根據本發明的第1形態及第2形態的雷射裝置，脈衝壓縮器中，使用上述發明的雷射脈衝壓縮用繞射光柵來作為由光柵面(反射面)接收的光能量最強的繞射光柵，因雷射脈衝相對於該繞射光柵的光柵面大致垂直地入射，故光柵面的耐性高而不會產生損傷。因此，藉由例如提高雷射放大器的放大度，或者藉由抑制繞射光柵的空間性的光束的擴展，而可提高最終自脈衝壓縮器出射的雷射脈衝的強度。
1、122、125、201、202、201B、202B‧‧‧繞射光柵
2‧‧‧複製基板
3‧‧‧樹脂層
4‧‧‧金層
10‧‧‧雷射振盪器
11、18‧‧‧半鏡面
12‧‧‧脈衝擴張器
13、14、15、17、19、121、126、203‧‧‧鏡面
16‧‧‧雷射放大器
20、20B‧‧‧脈衝壓縮器
123、124‧‧‧無焦透鏡
圖1是本發明的雷射裝置的一實施例的整體構成圖。
圖2是本發明的雷射脈衝壓縮用繞射光柵的一實施例的概略剖面圖。
圖3是表示本實施例的繞射光柵的損傷臨限值的實測結果的圖。
圖4是表示本實施例的繞射光柵中改變金(Au)膜厚時的損傷臨限值的實測結果的圖。
圖5是表示本實施例的繞射光柵的反射率的波長依存性的圖。
圖6是本發明的其他的實施例的雷射裝置中，脈衝壓縮器的概略構成圖。
以下，參照隨附圖式，對本發明的一實施例的繞射光柵以及使用了該繞射光柵的雷射裝置進行說明。圖1是本實施例的雷射裝置的整體構成圖。
本實施例的雷射裝置中，自雷射振盪器10輸出的規定波長附近的極短時間寬度的雷射脈衝，通過半鏡面(half mirror)11後被導入至脈衝擴張器12，且經脈衝擴張器12擴大了脈衝寬度後返回。該雷射脈衝為啁啾脈衝(chirp pulse)，波峰強度(輸出)降低是對應於脈衝寬度擴張的量。啁啾脈衝由半鏡面11及鏡面13、鏡面14、鏡面15反射後被導入至雷射放大器16，且藉由在雷射放大器16中被放大，而在大致維持著脈衝寬度的狀態下提高波峰強度。經如此放大的啁啾脈衝經過鏡面17、半鏡面18、鏡面19後被導入至脈衝壓縮器20。在脈衝壓縮器20中，與脈衝擴張器12相反地、使脈衝寬度受到壓縮，波峰強度提高對應於該壓縮的量後，返回到鏡面19。然後，具有高波峰強度的脈衝寬度窄的雷射脈衝通過半鏡面18而向外部輸出。
如圖1所示，脈衝擴張器12包括：呈大致字狀相對向配置的一對繞射光柵122、125；配置於該一對繞射光柵122、125之間的無焦透鏡(afocal lens)123、124；以及將由繞射光柵125反射的光予以反射的鏡面126。自雷射振盪器10輸出的雷射光具有微小的波長寬度，繞射光柵122、125使該波長寬度空間性 地分散。經空間性地分散的不同波長的光，在自第2段繞射光柵125朝向鏡面126並由鏡面126反射後返回時的光路長度，因波長而異。具體而言，由於短波長側的光通過更長的光路，所以被朝向雷射脈衝的後邊緣側而拉長；相反地，由於長波長側的光通過更短的光路，所以被朝向雷射脈衝的前邊緣側而拉長。藉此，回到脈衝擴張器12的光入射端時的雷射脈衝的脈衝寬度與入射時相比得到擴展。
另一方面，脈衝壓縮器20包括：相互使光柵面相對向而平行配置的一對繞射光柵201、202；以及將由第2段繞射光柵122反射(繞射)的光進行全反射的鏡面203。第1段繞射光柵201的角度分散被第2段繞射光柵202抵消，因此，具有不同波長成分而入射至第1段繞射光柵201的平行光束自第2段繞射光柵202出射並朝向鏡面203時，亦成為平行。然而，這些具有不同波長成分的光的光路長度不同，與脈衝擴張器12為相反地，短波長側的光通過更短的光路，長波長側的光通過更長的光路。藉此，前後被拉長的脈衝此次在時間上得到壓縮。另外，自鏡面19導入至脈衝壓縮器20的雷射脈衝被鏡面203反射後、經過與去程(outward way)完全相同的路徑，並向與入射時相反的方向返回。亦即，脈衝壓縮器20中，雷射脈衝不依存於波長而進行一個來回。
如上述般，脈衝擴張器12、脈衝壓縮器20中均使用繞射光柵，但脈衝壓縮器20中被導入了輸出得到放大的啁啾脈衝，並且脈衝壓縮的過程中雷射強度進一步提高，因此，尤其是高輸出的雷射光會碰撞到脈衝壓縮器20中所使用的繞射光柵201、202，從而容易產生反射膜的損傷。據此，脈衝壓縮器20中所使 用的2片繞射光柵201、202中，尤其要求高損傷臨限值。而且，為了獲得高輸出，要求繞射光柵201、202中的能量損失儘可能地少，因而獲得高繞射效率也是必須的。因而，此處，藉由採用如以下所述的特徵性的配置及構成，來實現高損傷臨限值及高繞射效率。
圖2是本發明的雷射脈衝壓縮用繞射光柵的一實施例的概略剖面圖。該繞射光柵1為具有剖面鋸齒波形狀槽的反射型眩光繞射光柵(reflective blazed diffraction grating)，而且是複製繞射光柵(replica diffraction grating)而非主繞射光柵(master diffraction grating)。亦即，圖2中，在平板狀的複製基板2上，有形成著剖面鋸齒波形狀的光柵槽的樹脂層3，該光柵槽的表面藉由作為金屬反射膜的金(Au)層4所被覆。複製繞射光柵的製造順序例如為日本專利第4973367號公報等中所記載的既存的方法。
具體而言，此處，在形成著規定形狀的光柵的主繞射光柵上，形成Au膜(膜厚：250nm，使用鉻(Cr)來作為黏合劑層)，然後塗佈樹脂材料，並與複製基板(Zerodur(註冊商標)，德肖特(SCHOTT)公司製造)貼合。然後，在樹脂材料硬化後，利用Au的剝離性而使主繞射光柵進行脫模(mold release)，藉此獲得如圖2所示的複製繞射光柵。
主繞射光柵的槽的傾斜角(眩光角)、以及複製繞射光柵的眩光角是以如下方式來進行設計，即：在此處使用的雷射波長1064[nm]附近，在入射光與1次繞射光相對於光柵面的槽斜面成為鏡面反射的關係、亦即成為利特羅(Littrow)配置的條件下，使得繞射效率為最佳。而且，此處槽條數為900條/mm。關於各種 槽條數的繞射光柵，將設計上的繞射效率的計算結果表示於圖5中。另外，該繞射效率為S偏光下的相對繞射效率。如圖5所示，繞射效率在目標波長範圍附近大約為90%以上，可以說為高效率。
圖2所示的繞射光柵1中的針對雷射脈衝的損傷臨限值是依存於雷射脈衝入射的入射角。為了驗證該情況，利用實驗來對如下兩種情況的損傷臨限值進行評估，即：使波長1064[nm]的Nd：YAG雷射光脈衝性地垂直入射至繞射光柵的情況(向圖2中的法線方向入射的情況下)，以及向與槽斜面大致正交的方向入射(以下將其稱作「利特羅配置入射」)的情況。損傷臨限值的評估是利用1-on-1法來進行，即，對繞射光柵的1個部位進行1次(1脈衝)的雷射光照射，一邊改變該照射位置與照射能量、一邊重複照射直至產生損傷為止。雷射光的脈衝寬度為10[ns]，光柵面上的雷射照射光束直徑為1.1[mm]。其中，該評估實驗中，若繞射光柵的返回光直接回到雷射光源則有該光源破損之虞，因此，並非嚴格的利特羅配置入射，而是使入射角稍微偏離嚴格意義上的利特羅配置入射。
將該實驗結果表示於圖3。可確認：垂直入射時的損傷臨限值為0.59[J/cm2 ]，與此相對，利特羅配置入射中損傷臨限值提高至2倍以上，即，為1.38[J/cm2 ]。已知道，一般而言，電磁波集中於尖形狀的部分，且認為在雷射光入射至眩光繞射光柵的情況下，該雷射光的電磁波集中於鋸齒波形狀的尖的凸部前端。結果是，推測在該凸部前端產生強電場，並因該強電場產生的熱等而引起反射膜的損傷。認為與入射的雷射光正交的面內的反射膜的剖面積越小，則電場集中的程度越高，因此，電場集中程度 最低者為雷射光相對於槽斜面大致垂直地入射的狀態。據此，認為利特羅配置入射對於提高損傷臨限值而言為最佳。
進而，為了確認使Au膜厚增厚的效果，對於使Au膜厚變化時的損傷臨限值，亦利用相同的方法進行調查。圖4是表示該實驗結果的圖。另外，圖4中亦表示對並非以繞射光柵、而以Au膜作為反射面的全反射鏡面，利用相同的方法調查損傷臨限值的結果。對於全反射鏡面而言，理想的是，不會引起如上述般的電場集中，因此可掌握如下：全反射鏡面的損傷臨限值，表示了可作為繞射光柵而實現的損傷臨限值的上限值(換句話說，為理想值)。根據圖4可知，藉由使Au膜厚增厚，而利特羅配置入射中的損傷臨限值確實提高，但在膜厚250[nm]，亦可達成與膜厚在400[nm]程度的垂直入射時大致同等的損傷臨限值。而且，亦可知，利特羅配置入射中，可達成與全反射鏡面相當接近的損傷臨限值，從而損傷臨限值非常優異。
如上述般，本實施例的繞射光柵以如下方式進行設計，即，在所使用的雷射波長1064[nm]附近，在入射光與1次繞射光相對於光柵面的槽斜面成為鏡面反射的關係的條件下，使得繞射效率為最佳，而且，在雷射光如上述般入射至該繞射光柵時，其損傷臨限值非常高。圖1所示的雙程構成的脈衝壓縮器20中，當由鏡面203反射的雷射脈衝返回到第1段繞射光柵201時，其雷射脈衝在時間上被壓縮且照射直徑亦縮小，因而對第1段繞射光柵201施加最大的負載。因此，由鏡面203反射且由第2段繞射光柵202繞射的光，是向與圖2所示的繞射光柵1的槽斜面大致直交的方向入射，以此方式，將該繞射光柵作為第1段繞射光柵 201而配置。另一方面，第2段繞射光柵202以如下方式而配置，即，與來自上述鏡面19的入射光的前進方向正好為相反方向的來自鏡面203的反射光，是向與槽斜面大致正交的方向入射。藉此，該雷射裝置中，即便達到一定程度的大輸出的雷射脈衝入射至脈衝壓縮器20，亦不會使該脈衝壓縮器20的繞射光柵201、202受損，從而可取出大輸出的雷射脈衝。
圖1所示的雷射裝置中，脈衝壓縮器為雙程構成，但本發明的繞射光柵亦可用於單程(single pass)構成的脈衝壓縮器。圖6是單程構成的脈衝壓縮器的概略構成圖。該脈衝壓縮器20B與圖1中的脈衝壓縮器20同樣地，包括：相互使光柵面相對向而平行配置的一對繞射光柵201B、202B，但不具有反射鏡面。第1段繞射光柵201B的角度分散被第2段繞射光柵202B抵消，因而，具有不同波長成分並入射至第1段繞射光柵201B的平行光束，在自第2段繞射光柵202B出射時亦為平行。然而，這些具有不同波長成分的光的光路長度被調整，在自第2段繞射光柵202B出射的時間點上，前後被拉長的脈衝在時間上得到壓縮。
該構成中，雷射脈衝不進行來回，因而，相比於第1段繞射光柵201B，對第2段繞射光柵202B施加大的負載。因此，以由第1段繞射光柵201B繞射的光向與圖2所示的繞射光柵1的槽斜面大致正交的方向入射的方式，將該繞射光柵作為第2段繞射光柵202B來配置。藉此，即便達到一定程度的大輸出的雷射脈衝入射至脈衝壓縮器20B，該脈衝壓縮器20B的繞射光柵201B、202B亦不會受損，從而可取出大輸出的雷射脈衝。
另外，應明白上述實施例均為本發明的一例，在本發明 的主旨的範圍內即便進行適當變形、追加、修正，亦包含於本申請案的申請專利範圍中。具體而言，上述實施例所示的繞射光柵為所使用的雷射波長為1064[nm]的情況下的一例，當雷射波長不同時，當然可根據該雷射波長來適當設計光柵條數、眩光角等。上述設計方法自身為已知。
10‧‧‧雷射振盪器
11、18‧‧‧半鏡面
12‧‧‧脈衝擴張器
13、14、15、17、19‧‧‧鏡面
16‧‧‧雷射放大器
20‧‧‧脈衝壓縮器
121、126、203‧‧‧鏡面
122、125、201、202‧‧‧繞射光柵
123、124‧‧‧無焦透鏡

Claims (5)

  1. 一種雷射脈衝壓縮用繞射光柵，在使用了啁啾脈衝放大法的雷射裝置中，被用於包含以光柵面相對向的方式平行配置的同一形狀的2片繞射光柵的脈衝壓縮器中，上述雷射脈衝壓縮用繞射光柵的特徵在於：是具有至少其表面由金屬反射膜被覆的剖面鋸齒波形狀槽的反射型眩光繞射光柵，在所使用的雷射脈衝的波長中，入射的雷射脈衝的入射角與1次繞射光相對於槽斜面成為鏡面反射的關係，且具有以獲得規定的繞射效率的方式而規定的眩光角。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的雷射脈衝壓縮用繞射光柵，其為複製繞射光柵，上述複製繞射光柵藉由如下而成：在形成著規定的剖面鋸齒波形狀槽的主繞射光柵的光柵槽的表面形成金屬反射膜，且在將上述金屬反射膜與複製基板經由樹脂材料密接後，將上述複製基板自主繞射光柵剝離，並使上述金屬反射膜反轉黏接於複製基板，而形成光柵面。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的雷射脈衝壓縮用繞射光柵，其中，上述金屬反射膜為金薄膜。
  4. 一種雷射裝置，將如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的雷射脈衝壓縮用繞射光柵用作脈衝壓縮器中的繞射光 柵，且使用了啁啾脈衝放大法，上述雷射裝置的特徵在於：上述脈衝壓縮器包括：2片繞射光柵，由以光柵面相對向的方式平行配置的同一形狀的第1繞射光柵、第2繞射光柵而構成；以及反射鏡，使經過了上述第1繞射光柵及第2繞射光柵的雷射脈衝反射，並依序入射至上述第2繞射光柵及第1繞射光柵，以自上述第2繞射光柵入射至上述第1繞射光柵的雷射脈衝相對於上述第1繞射光柵的槽斜面大致垂直地入射的方式，來配置上述2片繞射光柵。
  5. 一種雷射裝置，將如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的雷射脈衝壓縮用繞射光柵用作脈衝壓縮器中的繞射光柵，且使用了啁啾脈衝放大法，上述雷射裝置的特徵在於：上述脈衝壓縮器是取出經過了2片繞射光柵的雷射脈衝的構件，上述2片繞射光柵是由以光柵面相對向的方式平行配置的同一形狀的第1繞射光柵、第2繞射光柵而構成，以自上述第1繞射光柵入射至上述第2繞射光柵的雷射脈衝相對於上述第2繞射光柵的槽斜面大致垂直地入射的方式，來配置上述2片繞射光柵。
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