WO2009090935A1 - 光増幅器 - Google Patents

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WO2009090935A1
WO2009090935A1 PCT/JP2009/050302 JP2009050302W WO2009090935A1 WO 2009090935 A1 WO2009090935 A1 WO 2009090935A1 JP 2009050302 W JP2009050302 W JP 2009050302W WO 2009090935 A1 WO2009090935 A1 WO 2009090935A1
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WO
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optical
pulse
amplifier
light
energy
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PCT/JP2009/050302
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English (en)
French (fr)
Inventor
Shigeki Tokita
Masaki Hashida
Shuji Sakabe
Original Assignee
Kyoto University
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Publication date
Application filed by Kyoto University filed Critical Kyoto University
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2308—Amplifier arrangements, e.g. MOPA
    • H01S3/2316—Cascaded amplifiers

Definitions

  • the present invention relates to an optical amplifier, and more particularly to an optical amplifier that amplifies an optical pulse output from a laser oscillator.
  • laser light (hereinafter sometimes referred to as “laser”) is used in various fields. Research and development related to laser light are also actively conducted. For example, a method for increasing the output of a pulse laser or a method for stabilizing the output has been studied.
  • MOPA Master Oscillation Power Amplifier
  • MOPA is known as a technology to increase the output of the pulse laser.
  • MOPA is a system that employs a method of amplifying a weak pulse from a laser oscillator (hereinafter, sometimes simply referred to as “oscillator”) using an amplifier, or a system thereof.
  • Amplifiers used in MOPA generally amplify optical pulses using a multipath amplification method or a regenerative amplification method.
  • the multi-pass amplification method is a method of amplifying an optical pulse by passing the optical pulse a plurality of times through an optical amplification medium inside the amplifier.
  • the regenerative amplification method is a method of amplifying an optical pulse by confining the optical pulse in an amplifier up to a desired number of passes, for example, by controlling polarization.
  • the pulse width of the light pulse emitted from the pulse laser is several hundred nanoseconds or less, the optical amplification is completed within the microsecond or less in the amplifier. For this reason, it is not easy to stabilize the energy of the optical pulse output from the optical amplifier.
  • Non-Patent Document 1 (Strohkendl et al, “High stable amplification of femtosecond pulses”, J.Opt.Soc.Am.B, Vol.11, No.5, pp742 -749 (1994)) discloses a method of stabilizing output energy by optimizing the multiplicity of paths in a MOPA system having a single-stage multipath amplifier.
  • Non-Patent Document 2 (Chu et al, "A versatile 10-TW laser system with robust passive controls to achievement high stability and spatiotemporal quality", Appl.Phys.B79, pp193-201 (2004)) A method of suppressing the influence on the amplifier with respect to the output fluctuation of the excitation light source by sufficiently saturating is disclosed.
  • Non-Patent Document 3 (Oksenhendler et al, “Femtosecond laser pulse energy self-stabilization”, Appl. Phys. B79, pp933-935 (2004)) detects the intensity of an optical pulse output from a pulse laser device.
  • a method of adjusting the energy of the pulse by an optical modulator operating at an ultra high speed is disclosed.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a conventional amplification method employing MOPA.
  • optical pulse amplification system 200 includes an oscillator 101, amplifiers 111 to 113, magnifying lenses 116 and 117, and excitation light sources 121 to 123.
  • the oscillator 101 generates a seed pulse.
  • this seed pulse is a weak light pulse (for example, light having an energy of 1 (nJ)).
  • Each of the amplifiers 111 to 113 is a multipath amplifier.
  • Each of the amplifiers 111 to 113 includes an optical amplification medium (not shown).
  • the excitation light sources 121 to 123 are provided corresponding to the amplifiers 111 to 113, respectively, and irradiate the optical amplification medium included in the corresponding amplifier with excitation light. Thereby, the optical amplification medium is excited.
  • the optical amplification medium in the excited state amplifies the optical pulse input to itself.
  • the magnifying lens 116 is provided between the amplifier 111 and the amplifier 112, and widens the diameter of the light pulse output from the amplifier 111.
  • the magnifying lens 117 is provided between the amplifier 112 and the amplifier 113 and expands the diameter of the light pulse output from the amplifier 112.
  • the gain of the amplifier 111 is set to be extremely larger than the gain of the amplifier 112 and the gain of the amplifier 113.
  • the gain is defined as (energy of light pulse after amplification) / (energy of light pulse before amplification).
  • the gain of the amplifier 111, the gain of the amplifier 112, and the gain of the amplifier 113 are 10 6 , 10 2 , and 10 1 , respectively. Therefore, when the energy of the seed pulse is 1 (nJ), the optical pulse amplification system 200 outputs an optical pulse having an energy of 1 (J).
  • the optical pulse amplification system 200 can generate an optical pulse having a large energy from a weak pulse by including a plurality of amplifiers.
  • Non-Patent Document 1 the gain of the first stage amplifier (amplifier 111) is large, the energy of the optical pulse output from the amplifier 111 can be stabilized by applying the method disclosed in Non-Patent Document 1. It is considered to be.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the relationship between path multiplicity and output pulse energy. Note that FIG. 7 is described in detail in Non-Patent Document 1 described above. Therefore, an outline of the relationship between the path multiplicity and the energy of the output pulse will be described below.
  • the curve represents the relationship of the output (J out / J sat ) to the pass multiplicity (Pass Number).
  • J out is the output fluence
  • J sat is the saturation fluence of the light amplification medium.
  • five curves corresponding to each unit represent fluctuations in excitation energy.
  • the fact that the five curves overlap each other indicates that the energy of the output pulse is stable regardless of the fluctuation of the excitation energy. For example, when (J in / J sat ) is 10 ⁇ 9 , the energy of the output pulse can be stabilized by setting the path multiplicity to about 40 or more.
  • the energy of the light pulse input to each of the amplifiers 112 and 113 is relatively large. Further, since the gain required for each of the amplifiers 112 and 113 is small, the path multiplicity of each amplifier 112 and 113 is small (for example, 4 to 5). From the relationship between the path multiplicity shown in FIG. 7 and the output of the optical amplifier, when the energy of the input pulse is large and the path multiplicity is small, the energy of the output pulse varies according to the variation of the excitation energy. I understand that. Therefore, when the energy of the excitation light pulse input to each of the amplifiers 112 and 113 varies, the energy of the light pulse output from each amplifier also varies.
  • Non-Patent Document 1 it is difficult to stabilize the energy of an optical pulse output from an optical pulse amplification system including a multistage amplifier.
  • Non-Patent Document 3 when the method shown in Non-Patent Document 3 is applied, there is a problem that the life of the photoconductive switch is short. Moreover, the conditions of the wavelength and energy of the optical pulse for applying this method are limited.
  • the present invention solves the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an optical amplifier capable of stabilizing the output.
  • the present invention is an optical amplifier, which includes a first amplifier and a second amplifier.
  • the first amplifier is excited by the first light pulse, and in the excited state, the first amplifier amplifies the input laser light pulse, and the laser light pulse passes through the first light amplification medium.
  • a first optical system that forms a first optical path for passing a plurality of times.
  • the second amplifier is excited by the second optical pulse, and in the excited state, the second amplifier amplifies the input amplified light, and the amplified light passes through the second optical amplifying medium a plurality of times.
  • the optical amplifier divides the excitation light pulse from the excitation light source for generating the excitation light pulse for exciting the first and second optical amplification media and the first and second optical pulses. And a first pulse dividing unit.
  • the number of times that the laser light pulse traveling along the first optical path passes through the first optical amplification medium is the same as the number of times that the amplified light traveling along the second optical path passes through the second optical amplification medium. It is.
  • the optical amplifier further includes an intensity adjusting unit.
  • the intensity adjustment unit is configured so that a ratio between the energy of the first optical pulse input to the first optical amplification medium and the energy of the second optical pulse input to the second optical amplification medium becomes a predetermined value.
  • the intensity of at least one of the first and second light pulses is adjusted.
  • the number of times that the laser light pulse traveling along the first optical path passes through the first optical amplification medium is the number of times that the amplified light traveling along the second optical path passes through the second optical amplification medium. The same.
  • the intensity adjusting unit has a constant average value of the intensity of the amplified light output from the first amplifier within a predetermined time and an average value of the intensity of the output light output from the second amplifier within the predetermined time. The intensity of at least one pulse is adjusted so that
  • the optical amplifier further includes a second pulse dividing unit and a third amplifier.
  • the second pulse dividing unit extracts a third light pulse from the second light pulse.
  • the third amplifier has the same configuration as the second amplifier. The third amplifier amplifies the output light by receiving the third light pulse and the output light from the second amplifier.
  • the maximum number of amplifiers included in the optical amplifier according to the present invention is not limited to 3, and may be more than 3. That is, the optical amplifier according to the present invention may include, for example, a fourth amplifier or fourth and fifth amplifiers in addition to the first to third amplifiers.
  • an optical amplifier including a plurality of multipath amplifiers, it is possible to stabilize the energy of an optical pulse output from the optical amplifier.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical pulse amplification system 100 including an optical amplifier 10 according to a first embodiment. It is the figure which showed the numerical analysis result using Franz-Nodvik's formula. It is a conceptual diagram for demonstrating the numerical analysis result shown in FIG. It is a figure which shows the specific example of a structure of the optical pulse amplification system 100 shown in FIG.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a result of measuring an average output energy and a standard deviation of output energy when the energy of an excitation pulse input to the multipass amplifier 12 is changed in the optical pulse amplification system 100 illustrated in FIG. 4. . It is a figure explaining the conventional amplification method which employ
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a specific example of an optical pulse amplification system according to Embodiment 2.
  • FIG. FIG. 3 is a first diagram illustrating an example of a specific configuration of attenuators 17 and 18. It is a 2nd figure which shows the example of a specific structure of the attenuators 17 and 18.
  • FIG. It is a schematic block diagram of the optical pulse amplification system 100B including the optical amplifier according to Embodiment 3.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical pulse amplification system 100 including an optical amplifier 10 according to the first embodiment.
  • an optical pulse amplification system 100 includes an oscillator 1 that generates a seed pulse (laser light pulse), and an optical amplifier 10 that amplifies and outputs the seed pulse from the oscillator 1.
  • an oscillator 1 that generates a seed pulse (laser light pulse)
  • an optical amplifier 10 that amplifies and outputs the seed pulse from the oscillator 1.
  • the optical amplifier 10 includes multipath amplifiers 11 and 12, an excitation light source 13, a beam splitter 15, a magnifying lens 16, and an attenuator 17.
  • the seed pulse from the oscillator 1 is amplified by the multipass amplifier 11.
  • the optical pulse (amplified light) output from the multipath amplifier 11 passes through the magnifying lens 16 and is input to the multipath amplifier 12.
  • the multipath amplifier 12 amplifies and outputs the input optical pulse (amplified light).
  • the magnifying lens 16 is provided between the multi-pass amplifier 11 and the multi-pass amplifier 12, and widens the diameter of the optical pulse from the multi-pass amplifier 11.
  • the optical pulse amplification system 100 can generate an optical pulse having a large energy from a weak pulse by including a plurality of amplifiers.
  • the gain of the multipath amplifier 11 and the gain of the multipath amplifier 12 are appropriately determined according to the gain required for the optical amplifier 10.
  • Each of the multipath amplifiers 11 and 12 includes an optical amplification medium (not shown).
  • the optical amplification medium may be solid, liquid, or gas.
  • titanium sapphire or Nd: YAG (Yttrium Aluminum Garnet) can be used as a solid optical amplifying medium.
  • the excitation light source 13 emits an optical pulse for exciting the optical amplification medium.
  • the beam splitter 15 divides the excitation light pulse from the excitation light source 13 into first and second light pulses.
  • the ratio between the energy of the first light pulse and the energy of the second light pulse is determined based on experimental results, for example. This ratio is determined so that the energy of the second excitation light pulse is larger than the energy of the first excitation light pulse. This is because the energy of the optical pulse output from the multipass amplifier 12 is made larger than the energy of the optical pulse output from the multipass amplifier 11.
  • the first optical pulse is input to the multipath amplifier 11 and excites the optical amplification medium included in the multipath amplifier 11.
  • the second light pulse passes through the attenuator 17 and its intensity (energy) is weakened.
  • the second optical pulse that has passed through the attenuator 17 is input to the multipath amplifier 12 to excite the optical amplification medium included in the multipath amplifier 12.
  • the laser light pulse is amplified a plurality of times by passing through the excited optical amplification medium.
  • This amplification method may be either a multipath amplification method or a reproduction amplification method. Therefore, in this specification, these methods are collectively referred to as “multipath amplification methods”.
  • the beam splitter 15 it is difficult to manufacture the beam splitter 15 so that the ratio between the energy of the first light pulse and the energy of the second light pulse is as designed in advance.
  • the attenuator 17 By attenuating the second optical pulse by the attenuator 17, it becomes possible to keep the ratio of the energy of the two optical pulses respectively input to the multipath amplifier 11 and the multipath amplifier 12 at a predetermined ratio. It is preferable that the attenuator 17 can adjust (attenuate) the energy of the input optical pulse steplessly.
  • an attenuator that can adjust (attenuate) the energy of the first optical pulse may be provided.
  • the excitation light pulse from the excitation light source 13 is divided into the first and second light pulses by the beam splitter 15, so that the fluctuation of the energy of the excitation light pulse is the first and second light. It is reflected in the fluctuation of the energy of the pulse. That is, when the energy of the excitation light pulse increases, the energy of the first light pulse and the energy of the second light pulse both increase. On the other hand, when the energy of the excitation light pulse decreases, the energy of the first light pulse and the energy of the second light pulse both decrease.
  • an optical attenuating section that is provided in an optical path through which the laser light pulse passes and attenuates the energy of the laser light pulse incident on itself.
  • the second light pulse is guided to the attenuator 17 by the reflecting mirror 15A.
  • the second optical pulse may be directly input to the attenuator 17.
  • the reflecting mirror 15A is not necessary.
  • the amplification of the optical pulse by each of the multipath amplifiers 11 and 12 can be described using the Franz-Nodvik equation.
  • the Franz-Nodvik equation is expressed according to the following equation (1).
  • J sto (p) represents the fluence that is accumulated in the optical amplification medium and can be taken out by the amplification action.
  • J in (p + 1) J out (p) ⁇ T in the Franz-Nodvik equation.
  • T is the transmittance (0 ⁇ T ⁇ 1). That is, in the present embodiment, the laser light pulse that has passed through the optical amplification medium is attenuated, and the attenuated light is input again to the optical amplification medium.
  • FIG. 2 is a diagram showing the results of numerical analysis using the Franz-Nodvik equation.
  • FIG. 2 shows numerical analysis results when optical pulses are amplified by an optical amplifier using a titanium sapphire multipath amplifier (path multiplicity is 4) for the first stage multipath amplifier and the second stage multipath amplifier.
  • path multiplicity is 4
  • Loss in the figure indicates the loss for each path in the second-stage multipath amplifier. In the first-stage multipath amplifier, the loss for each path is zero.
  • the excitation fluence of the first-stage multi-pass amplifier was set to twice the excitation fluence of the second-stage multi-pass amplifier.
  • the upper horizontal scale in the graph of FIG. 2 shows the excitation fluence of the first stage amplifier.
  • the scale on the lower side of the graph shows the excitation fluence of the second stage amplifier.
  • the diameter of the beam (optical pulse) is expanded four times (the fluence becomes 1/16 of the original), and the expanded beam becomes two stages. It is assumed that the light is incident on the multipath amplifier of the eye.
  • the fluence of the seed pulse incident on the first-stage multipass amplifier is 10 ⁇ 7 [J / cm 2 ].
  • the output fluence from the second-stage multipath amplifier changes according to the small signal gain coefficient.
  • the small signal gain coefficient is about 1.5 or more
  • the curve indicating the relationship between the small signal gain coefficient and the output fluence overlaps with a straight line passing through the origin (indicated by a broken line in the figure).
  • the stability of the energy of the pulse output from the multipath amplifier depends on the stability of the small signal gain factor. That is, when the loss is 0%, it is difficult to make the fluctuation of the energy of the pulse output from the second-stage multipath amplifier smaller than the fluctuation of the excitation energy.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram for explaining the numerical analysis results shown in FIG. With reference to FIG. 3 and FIG. 1, first, the energy of the pumping light pulse (first light pulse) input to the first stage amplifier (multipath amplifier 11) fluctuates due to the output fluctuation of the pumping light source 13. . Therefore, the output of the multipath amplifier 11 varies.
  • the output of the multipath amplifier 12 varies as indicated by the broken line.
  • the energy of the excitation light pulse (second light pulse) input to the second stage amplifier (multipath amplifier 12) varies in the same manner as the energy of the first light pulse. That is, when the energy of the first optical pulse increases, the energy of the second optical pulse also increases, so that the energy of the pulse output from the multipass amplifier 12 increases. On the other hand, when the energy of the first optical pulse is reduced, the energy of the second optical pulse is also reduced, so that the energy of the pulse output from the multipass amplifier 12 is reduced. As a result, the gain in each path varies.
  • the slope of the straight line in each path (the number of times the optical pulse has passed through the optical amplifying medium) represents the gain of the optical pulse. As the number of passes increases, the gain decreases. This is because part of the energy accumulated in the optical amplification medium is extracted by passing the optical pulse through the excited optical amplification medium, so that the optical pulse is amplified while the energy accumulated in the optical amplification medium is reduced. This is because it gradually decreases.
  • a solid line in FIG. 3 indicates a change in pulse energy when a loss for each path occurs in the multipath amplifier 12.
  • the output from the multipath amplifier 11 is the maximum value in the fluctuation range
  • the number of paths is 1 and 2
  • much energy is extracted from the optical amplification medium.
  • the number of passes is 3 and 4 since the energy remaining in the optical amplifying medium is small, the gain of the optical amplifying medium becomes small.
  • the light pulse is amplified every time the light pulse passes through the light amplification medium, the energy loss of the light pulse also occurs. As a result, when the number of passes is 1 and 2, the optical pulse is amplified, but when the number of passes is 3 and 4, the optical pulse is attenuated.
  • the energy of the optical pulse input to the optical amplifying medium when the number of paths is 2 has a loss in each of the first to third paths. Less than the energy of the light pulse when it occurs. Therefore, the energy extracted from the optical amplifying medium is also smaller than the energy extracted from the optical amplifying medium when there is no loss for each path. Thereby, even when the number of passes is 3 and 4, the optical pulse is amplified. As a result, it is possible to reduce the fluctuation of the output of the multipath amplifier 12 as compared with the fluctuation of the output of the multipath amplifier 11.
  • the number of paths in which optical pulse energy loss occurs is determined in accordance with the rate of loss of optical pulse energy per path, fluctuations in excitation energy, and the like. Therefore, it is not necessary to cause a loss in every path.
  • FIG. 4 is a diagram showing a specific example of the configuration of the optical pulse amplification system 100 shown in FIG. In FIG. 4, the optical path of the light pulse is indicated by an arrow.
  • oscillator 1 generates an optical pulse having a pulse width of, for example, a femtosecond level.
  • the pulse stretcher 2 receives a pulse from the oscillator 1 and widens the width of the pulse.
  • a pulse from the pulse stretcher 2 is input to the optical amplifier 10 as a seed pulse.
  • the optical amplifier 10 includes multipath amplifiers 11 and 12, a pumping light source 13, a reflecting mirror 14, a beam splitter 15, a magnifying lens 16, attenuators 17 and 18, and reflecting mirrors 41 and 42.
  • the multipath amplifier 11 includes an optical isolator 5, convex lenses 6A and 6B, an optical amplification medium 7A, concave mirrors 8A, 8B, and 8C, polarizers 9A and 9B, a Pockels cell 20A, and a half-wave plate 21.
  • the beam splitter 22 and reflecting mirrors 23 to 25 and 31 to 39 are included.
  • the optical amplification medium 7A is a titanium sapphire crystal.
  • the excitation light source 13 generates excitation light pulses.
  • the excitation light source 13 is composed of, for example, a Q-switch Nd: YAG laser and a nonlinear element that generates harmonics of light emitted from the Q-switch Nd: YAG laser.
  • the excitation light pulse from the excitation light source 13 is reflected by the reflecting mirror 14 and divided into two light pulses by the beam splitter 15.
  • One of the two light pulses passes through the attenuator 18 and is split into two light pulses by the beam splitter 22.
  • One of the two optical pulses output from the beam splitter 22 is input to one end face of the titanium sapphire crystal (the optical amplification medium 7A) by the reflecting mirrors 23 and 24.
  • the other of the two optical pulses output from the beam splitter 15 is input to the other end face of the titanium sapphire crystal (optical amplification medium 7A) by the reflecting mirror 25.
  • the optical amplification medium 7A is excited by the two optical pulses input to the optical amplification medium 7A.
  • optical path of the optical pulse in the multipath amplifier 11 is indicated as an optical path P1.
  • the seed pulse from the pulse stretcher 2 passes through this optical path P1.
  • the seed pulse from the pulse stretcher 2 is reflected by the reflecting mirror 31 and passes through the optical isolator 5 and convex lenses 6A and 6B.
  • the optical isolator 5 is for passing an optical pulse only in the direction from the reflecting mirror 31 to the reflecting mirror 32.
  • the light pulse that has passed through the convex lens 6B is input to the optical amplification medium 7A by the reflecting mirrors 32 and 33, and passes through the optical amplification medium 7A (one pass).
  • the light that has passed through the optical amplification medium 7A reaches the concave mirror 8A.
  • the light pulse that has reached the concave mirror 8A is reflected by each of the reflecting mirror 34 and the concave mirror 8B and passes through the optical amplification medium 7A (two passes).
  • the light that has passed through the optical amplification medium 7A reaches the concave mirror 8C.
  • the light pulse that has reached the concave mirror 8C is reflected by each of the concave mirror 8C, the reflecting mirror 36, and the reflecting mirror 37 and is input to the polarizer 9A.
  • the light pulse input to the polarizer 9A passes through the polarizer 9A, the Pockels cell 20A, the half-wave plate 21, and the polarizer 9B.
  • the Pockels cell 20A electrically switches the polarization direction of the light pulse.
  • the polarizer 9A, the Pockels cell 20A, the half-wave plate 21, and the polarizer 9B serve to thin out seed pulses.
  • the light pulse that has passed through the polarizer 9B is reflected by each of the reflecting mirrors 38 and 39 to reach the concave mirror 8C.
  • the light pulse passes through the optical amplifying medium 7A by being reflected by the concave mirror 8C (three passes).
  • the light pulse that has passed through the optical amplifying medium 7A is reflected by each of the concave mirror 8B, the reflecting mirror 35, and the concave mirror 8A, and passes through the optical amplifying medium 7A (four passes).
  • the light pulse that has passed through the optical amplification medium 7A is guided to the magnifying lens 16 by the reflecting mirrors 41 and 42.
  • the magnifying lens 16 includes a convex mirror 45 and a concave mirror 8D.
  • the diameter of the light pulse reflected by the reflecting mirror 41 is expanded by being reflected by the convex mirror 45 and the concave mirror 8D.
  • the light pulse reflected by the concave mirror 8D is input to the multi-pass amplifier 12.
  • the multipath amplifier 12 includes an optical amplifying medium 7B, polarizers 9C and 9D, a Pockels cell 20B, a beam splitter 52, reflecting mirrors 51, 53 to 55, 61 to 68, and quartz plates 71 to 74. .
  • the optical path of the optical pulse in the multipath amplifier 12 is indicated as an optical path P2.
  • the light pulse from the concave mirror 8D passes through this optical path P2.
  • the optical amplification medium 7B is a titanium sapphire crystal, like the optical amplification medium 7A. As described above, one of the two light pulses from the beam splitter 15 passes through the attenuator 18. In contrast, the other of these two light pulses passes through the attenuator 17. The light pulse that has passed through the attenuator 17 is reflected by the reflecting mirror 51 and further divided into two light pulses by the beam splitter 52. One of the two optical pulses output from the beam splitter 52 is input to one end face of the titanium sapphire crystal (optical amplification medium 7B) by the reflecting mirrors 54 and 55.
  • the other of the two optical pulses output from the beam splitter 52 is input to the other end face of the titanium sapphire crystal (optical amplification medium 7B) by the reflecting mirror 53.
  • the optical amplification medium 7B is excited by two optical pulses input to the optical amplification medium 7B.
  • the light pulse (amplified light) from the concave mirror 8D is input to the polarizer 9C.
  • the light pulse input to the polarizer 9C passes through the polarizer 9C, the Pockels cell 20B, and the polarizer 9D.
  • the optical pulse output from the polarizer 9D is reflected by each of the reflecting mirrors 61 and 62, input to the optical amplifying medium 7B, and passes through the optical amplifying medium 7B (one pass).
  • the light pulse that has passed through the optical amplifying medium 7B passes through the quartz plates 72 and 71.
  • the quartz plates 72 and 71 are installed so that each surface is inclined with respect to the optical path P2 of the light pulse. As a result, the light pulses that have passed through the quartz plates 72 and 71 are attenuated.
  • the light pulse that has passed through the quartz plate 71 is reflected by each of the reflecting mirrors 63 and 64, is input to the optical amplification medium 7B, and passes through the optical amplification medium 7B (two passes).
  • the light pulse that has passed through the optical amplifying medium 7B passes through the quartz plates 74 and 73.
  • the quartz plates 74 and 73 are installed so that each surface is inclined with respect to the optical path P2 of the light pulse. As a result, light pulses passing through the quartz plates 74 and 73 are attenuated.
  • the light pulse that has passed through the quartz plate 73 is reflected by each of the reflecting mirrors 65 and 66, is input to the optical amplification medium 7B, and passes through the optical amplification medium 7B (three passes).
  • the light that has passed through the optical amplifying medium 7B is attenuated by passing through the quartz plates 72 and 71.
  • the light pulse that has passed through the quartz plate 71 is reflected by each of the reflecting mirrors 67 and 68, is input to the optical amplification medium 7B, and passes through the optical amplification medium 7B (four passes).
  • the light that has passed through the optical amplification medium 7B is output from the optical amplifier 10.
  • the energy fluctuation of the optical pulse (output light) output from the optical pulse amplification system 100 shown in FIG. 4 was measured.
  • the conditions regarding the measurement are shown below.
  • the oscillator 1 a titanium sapphire mode-locked oscillator was used.
  • the center wavelength of the pulse output from the titanium sapphire mode-locked oscillator was about 800 (nm)
  • the pulse width (time width) was about 100 (fs)
  • the repetition frequency was 80 (MHz).
  • the energy of this pulse was 10 (nJ).
  • the pulse width of the pulse output from the pulse stretcher 2 was about 400 (ps).
  • the excitation light source 13 was a non-linear element that receives a light pulse from a Q-switch Nd: YAG laser oscillator and a Nd: YAG laser oscillator and generates a second harmonic of the light pulse.
  • the wavelength of the excitation light pulse emitted from the excitation light source 13 was about 532 (nm).
  • the light pulse from the excitation light source 13 was split by the beam splitter 15 into a light pulse having an energy of about 90 (mJ) and a light pulse having an energy of about 450 (mJ).
  • the pulse repetition frequency was set to 10 (Hz) by thinning out the pulses with the Pockels cell 20A.
  • the energy of the optical pulse output from the multipass amplifier 11 was 7 (mJ).
  • the rate of energy loss due to the quartz plates 72 and 71 and the rate of energy loss due to the quartz plates 74 and 73 were 30%.
  • FIG. 5 shows the result of measuring the energy fluctuation of the output pulse when the optical pulse amplification system 100 is operated according to the above conditions.
  • FIG. 5 is a diagram showing the results of measuring the average output energy and the standard deviation of the output energy when the energy of the excitation light pulse input to the multipath amplifier 12 is changed.
  • the number of pulses for calculating the average output energy was 500.
  • the excitation energy increases, the energy of the output pulse increases and the standard deviation decreases.
  • the excitation light pulse energy was about 450 mJ
  • the average value of the energy of the output pulse was about 93 mJ
  • the standard deviation was 0.3% of the average value.
  • the standard deviation of the energy of the excitation light pulse was about 1.7%. That is, the standard deviation of the energy of the output pulse is about 1/5 of the standard deviation of the energy of the excitation light pulse input to the multipass amplifier 12.
  • the energy of the excitation light pulse from the excitation light source 13 is divided by the beam splitter 15 at a predetermined ratio.
  • the attenuator 17 attenuates an optical pulse input at a predetermined attenuation rate. Therefore, the standard deviation of the energy of the excitation light pulse from the excitation light source 13 is considered to be approximately the same as the standard deviation of the energy of the excitation light pulse input to the multipass amplifier 12. Therefore, the result of FIG. 5 indicates that the fluctuation of the energy of the optical pulse output from the optical amplifier 10 can be made smaller than the fluctuation of the energy of the excitation light pulse emitted from the excitation light source 13.
  • the optical amplifier 10 includes the multipath amplifiers 11 and 12, the excitation light source 13, and the beam splitter 15. Inside the multi-pass amplifier 12, an optical attenuator is provided in an optical path through which the optical pulse travels so as to pass through the optical amplification medium a plurality of times, and attenuates the energy of the input optical pulse. Further, the excitation light pulse from the excitation light source 13 is divided into two light pulses by the beam splitter 15. These two pulses are input to the multipass amplifiers 11 and 12, respectively. Thereby, the fluctuation
  • the number of paths in the multipath amplifier 11 and the number of paths in the multipath amplifier 12 are the same. Therefore, the multipath amplifiers 11 and 12 can have substantially the same configuration. Thereby, the structure of the optical amplifier 10 can be simplified.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a specific example of the optical pulse amplification system according to the second embodiment.
  • optical pulse amplification system 100 ⁇ / b> A is different from optical pulse amplification system 100 in that light receiving elements 81 and 83, reflecting mirror 82, and control device 84 are further provided. Since the configuration of the other part of optical pulse amplification system 100A is the same as the configuration of the corresponding part of optical pulse amplification system 100, the following description will not be repeated.
  • the light receiving elements 81 and 83 are constituted by photodiodes, for example.
  • the light receiving element 81 receives the light transmitted through the reflecting mirror 41 and outputs a signal S1 indicating the intensity of the received light.
  • the reflecting mirror 82 reflects the output light from the multipath amplifier 12. However, part of the output light from the multipath amplifier 12 passes through the reflecting mirror 82.
  • the light receiving element 83 receives the light transmitted through the reflecting mirror 82 and outputs a signal S2 indicating the intensity of the received light.
  • the intensity of light received by the light receiving element 81 varies according to the intensity of light output from the multipass amplifier 11. Therefore, the intensity of the signal S1 changes according to the intensity of the light output from the multipath amplifier 11.
  • the light reception intensity of the light receiving element 83 changes according to the intensity of light output from the multipath amplifier 12. Therefore, the intensity of the signal S2 changes according to the intensity of the light output from the multipath amplifier 12.
  • the control device 84 controls the attenuation rate of the attenuator 18 by controlling the attenuator 18 according to the signal S1. Similarly, the control device 84 controls the attenuation rate of the attenuator 17 by controlling the attenuator 17 according to the signal S2.
  • FIG. 9 is a first diagram showing an example of a specific configuration of the attenuators 17 and 18.
  • the attenuator 17 includes a half-wave plate 91, a motor 92 that rotates the half-wave plate 91, and a polarizer 93.
  • the control device 84 controls the rotation angle of the half-wave plate 91 by controlling the motor 92 according to the signal S2. Thereby, the attenuation rate of the attenuator 17 is controlled.
  • the configuration of the attenuator 18 is the same as that of the attenuator 17.
  • the control device 84 controls the rotation angle of the half-wave plate 91 by controlling the motor 92 in accordance with the signal S1.
  • the polarization states of the attenuators 17 and 18 can be changed. This makes it possible to control the attenuation rate of the attenuators 17 and 18, so that the intensity of the light that has passed through the attenuators 17 and 18 (indicated by the light beam L in the figure) can be adjusted.
  • FIG. 10 is a second diagram showing an example of a specific configuration of the attenuators 17 and 18.
  • the attenuator 17 includes a Pockels cell 95 and a driver 96 that applies a voltage to the Pockels cell 95.
  • the voltage applied to the Pockels cell 95 is controlled by the control device 84.
  • the control device 84 outputs a pulse voltage from the driver 96 by controlling the driver 96 in accordance with the signal S2.
  • the Pockels cell 95 changes its polarization direction when the pulse voltage output from the driver 96 is applied. As a result, the transmittance of the Pockels cell 95 changes. By changing the transmittance of the Pockels cell 95, the attenuation rate of the attenuator 17 changes.
  • the configuration of the attenuator 18 is the same as the configuration of the attenuator 17.
  • the control device 84 outputs a pulse voltage from the driver 96 by controlling the driver 96 according to the signal S1.
  • the transmittance of the Pockels cell 95 changes. That is, the attenuation rate of the attenuator 18 changes.
  • the control device 84 changes the attenuation rate of the optical attenuator 18 according to the signal S1, and changes the attenuation rate of the optical attenuator 17 according to the signal S2.
  • the intensity of the signal S1 indicates the intensity of the light output from the multipath amplifier 11.
  • the intensity of the first optical pulse is adjusted.
  • feedback control that stabilizes the average value of the intensity of light output from the multipath amplifier 11 within a predetermined time can be realized.
  • feedback control that stabilizes the average value of the intensity of light output from the multipath amplifier 12 within a predetermined time can be realized.
  • control device 84 increases the intensity of light output from the optical attenuator 18 by decreasing the attenuation rate of the optical attenuator 18 when the light reception intensity of the light receiving element 81 is decreased.
  • the control device 84 increases the attenuation factor of the optical attenuator 18 to decrease the intensity of light output from the optical attenuator 18. Since control of optical attenuator 17 by control device 84 is similar to control of optical attenuator 18 by control device 84, the following description will not be repeated.
  • the effect of the first embodiment can be obtained. Furthermore, according to the second embodiment, it is possible to stabilize the intensity of light output from the optical pulse amplification system over a long period of time by the above feedback control.
  • the configuration for measuring the intensity of light output from each of the multipath amplifiers 11 and 12 is not limited to the configuration shown in FIG. 8, and other configurations may be adopted.
  • FIG. 11 is a schematic configuration diagram of an optical pulse amplification system 100B including the optical amplifier according to the third embodiment.
  • the optical pulse amplification system 100B includes an optical pulse in that it further includes a multipath amplifier 12A, a beam splitter 15B, a reflecting mirror 15C, a magnifying lens 16A, and an attenuator 17A.
  • the configuration of the other part of optical pulse amplification system 100B is the same as the configuration of the corresponding part of optical pulse amplification system 100, the following description will not be repeated.
  • the configuration of the multipath amplifier 12A is the same as that of the multipath amplifier 12 (see FIG. 4 or FIG. 8).
  • the beam splitter 15B splits the second light pulse into two light pulses. One of the two optical pulses is input to the attenuator 17, and the other of the two optical pulses is a third optical pulse input to the attenuator 17A. That is, the beam splitter 15B extracts the third light pulse from the second light pulse.
  • the intensity (energy) of the third optical pulse is weakened by passing through the attenuator 17A.
  • the third optical pulse that has passed through the attenuator 17A is input to the multi-pass amplifier 12A to excite the optical amplification medium included in the multi-pass amplifier 12A.
  • the third optical pulse may be directly input to the attenuator 17A. In this case, the reflecting mirror 15C is unnecessary.
  • the multi-pass amplifier 12A having the same configuration as that of the multi-pass amplifier 12 is provided in the subsequent stage of the multi-pass amplifier 12.
  • the multipath amplifier 12A amplifies the optical pulse output from the multipath amplifier 12. Therefore, the intensity of light output from the optical amplifier 10 can be further increased.
  • the attenuator 17A attenuates the third optical pulse, whereby the ratio of the energy of the third optical pulse to the energy of the first optical pulse (and the third optical pulse to the energy of the second optical pulse). (Energy ratio) can be kept at a predetermined ratio. It is preferable that the attenuator 17A can adjust (attenuate) the energy of the input optical pulse in a stepless manner.
  • the energy of the third light pulse varies according to the variation of the energy of the excitation light pulse from the excitation light source 13. Further, inside the multi-pass amplifier 12A, an optical attenuating unit is provided in the optical path through which the laser light pulse passes and attenuates the energy of the laser light pulse incident on itself (see FIG. 4 or FIG. 8). Therefore, according to the third embodiment, as in the first embodiment, the energy of the optical pulse output from the optical amplifier 10 can be stabilized.
  • At least the concave mirrors 8A, 8B, 8C and the reflecting mirrors 31 to 39 constitute the “first optical system” in the present invention.
  • at least the reflecting mirrors 61 to 68 constitute the “second optical system” in the present invention.
  • the quartz plates 71 to 74 constitute the “light attenuation section” in the present invention.
  • the attenuators 17 and 18 constitute the “strength adjusting unit” in the present invention.
  • the “light attenuating portion” in the present invention is not limited to the quartz plate as long as it attenuates the energy of the light pulse passing through the optical path P2.
  • the “light attenuation section” may be realized by an ND (Neutral Density) filter.
  • the number of multipath amplifiers included in the optical pulse amplification system according to the present embodiment is not limited to two or three, and may be four or more. That is, the optical pulse amplification system according to the present embodiment only needs to include at least two multipath amplifiers.
  • the present invention can be used for a laser beam generator that generates a laser beam pulse.

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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

光増幅器
　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 JPOXMLDOC01-appb-M000001
　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 JPOXMLDOC01-appb-M000002
　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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