WO2023032357A1 - レーザ増幅装置及びレーザ増幅方法 - Google Patents

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signal
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尊史 関根
善紀 玉置
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浜松ホトニクス株式会社
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    • H01S3/2383—Parallel arrangements
    • H01S3/2391—Parallel arrangements emitting at different wavelengths

Definitions

  • the present disclosure relates to a laser amplification device and a laser amplification method.
  • a mode-locking method is known in which the phases of each wavelength component in a beam having a wide spectral band are aligned and laser oscillation is performed.
  • technology for amplifying laser light having a wide spectral band has been developed in applying the mode-locking method.
  • an optical parametric amplification method is known in which signal light and pump light are incident on a nonlinear optical crystal and the signal light is amplified.
  • This conventional laser amplifier includes a nonlinear optical crystal that transmits signal light and a shaping optical system that shapes pumping light and causes it to enter the nonlinear optical crystal.
  • the shaping optics have an optical array that splits the excitation light into a first split beam and a second split beam.
  • the shaping optical system focuses the first split beam and the second split beam on the nonlinear optical crystal such that the angle between the first split beam and the signal light is different from the angle between the second split beam and the signal light. It has a lens that lets out light.
  • nonlinear optical crystals have the property that the refractive index varies depending on the wavelength of incident light.
  • the laser amplifier described in Patent Document 1 mentioned above splits the pumping light while using signal light having a wide spectral band as one beam, so that the same nonlinear optical crystal is used.
  • the signal light and the excitation light are made to overlap spatially and temporally with respect to the portion.
  • the phases of the respective wavelength components of the signal light (amplified light) after amplification are different from each other, and the nonlinear optical crystal is generated in a state in which these respective wavelength components are not spatially separated. will be emitted from Therefore, when performing mode-locking using amplified light, it is necessary to spatially separate each wavelength component and then adjust the phase, which complicates the optical system for increasing the output of ultrashort pulse light. can be considered.
  • An object of the present invention is to provide a laser amplification device and a laser amplification method.
  • a laser amplification device includes an amplification unit that amplifies the intensity of signal light and outputs amplified light, a phase adjustment unit that adjusts the phase of each wavelength component included in the signal light or the amplified light, wherein the amplifying unit has a signal light source that outputs signal light, a pump light source that outputs pump light, and a nonlinear optical crystal that emits amplified light upon incidence of the signal light and pump light, and the nonlinear optical crystal has a plurality of spatially different crystal parts, the signal light source, the pump light source, and the nonlinear optical crystal are such that the signal light and the pump light are simultaneously incident on each of the plurality of crystal parts, and the plurality of crystals At least one of the crystal axis of the portion and the incident angle of the signal light and the crystal axis of the plurality of crystal portions and the incident angle of the excitation light are arranged to be different.
  • this laser amplifier by making the signal light and the pumping light incident on the nonlinear optical crystal, it is possible to generate amplified light by amplifying the intensity of the signal light.
  • the signal light and the pumping light are simultaneously incident on each of the plurality of spatially different crystal portions in the nonlinear optical crystal, and the crystal axes of the plurality of crystal portions and the incident angles of the signal light and the plurality of At least one of the crystal axis of the crystal portion and the incident angle of the excitation light is different. Therefore, although the phases of the wavelength components of the amplified light emitted from the nonlinear optical crystal are different from each other, these wavelength components can be emitted from the nonlinear optical crystal in a state of being spatially separated. Therefore, in this laser amplifying device, spatial separation of each wavelength component in the amplified light is not required, and the optical system for increasing the output of ultrashort pulsed light can be simplified.
  • a plurality of crystal parts may be spatially separated and arranged.
  • each wavelength component in the amplified light can be spatially separated more reliably.
  • a plurality of crystal parts may be integrally bonded.
  • miniaturization of the nonlinear optical crystal is achieved.
  • the workability of positioning the nonlinear optical crystal with respect to the optical system of the signal light and pumping light can be enhanced.
  • the crystal axis directions of the plurality of crystal parts may be different from each other.
  • the angles of the signal light and the excitation light incident on each of the plurality of crystal portions can be uniformly determined. Therefore, it is possible to simplify the angle adjustment of the signal light and the excitation light.
  • a single signal light and pumping light may be incident on each of the plurality of crystal parts.
  • the optical system for signal light and excitation light can be simplified. Unlike the case where a plurality of signal light beams and pump light beams are used, it is possible to prevent changes in optical characteristics due to interference between signal light beams or pump light beams. In addition, the utilization efficiency of the excitation light can be sufficiently ensured.
  • Each of the plurality of signal lights may be incident on each of the plurality of crystal parts at the same angle, and each of the plurality of pumping lights may be incident on the same angle.
  • the wavelength width of each beam becomes moderately narrow and the time width of each beam becomes excessively narrow compared to the case of a single beam having a wide wavelength width and a narrow time width. can be suppressed.
  • the peak intensities of the signal light and the excitation light fall within a certain range, so damage to the elements forming the optical system can be suppressed.
  • a plurality of crystal parts may have the same crystal axis direction.
  • the configuration of the nonlinear optical crystal can be simplified because there is no need to prepare a plurality of crystal portions having different crystal axis directions.
  • a single signal beam may be incident on each of the plurality of crystal portions, and a plurality of excitation beams may be incident at different angles.
  • the optical system for signal light can be simplified. Unlike the case where a plurality of signal beams are used, it is possible to prevent changes in optical characteristics due to interference between signal beams. In addition, the utilization efficiency of the excitation light can be sufficiently ensured.
  • a plurality of signal lights may be incident on each of the plurality of crystal portions at different angles, and a single excitation light may be incident thereon.
  • the optical system of excitation light can be simplified. Unlike the case where a plurality of excitation light beams are used, it is possible to prevent changes in optical characteristics due to interference between excitation light beams.
  • each of the plurality of signal lights and each of the plurality of pumping lights may be incident on each of the plurality of crystal portions at an equal angle, and the other may be incident at a different angle.
  • the wavelength width of each beam is moderately narrowed, and it is possible to suppress the time width of each beam from being excessively narrowed.
  • the peak intensities of the signal light and the excitation light fall within a certain range, so damage to the elements forming the optical system can be suppressed.
  • the laser amplifying device may further include a condensing section for condensing the amplified light whose phase of each wavelength component has been adjusted by the phase adjusting section.
  • a condensing section for condensing the amplified light whose phase of each wavelength component has been adjusted by the phase adjusting section.
  • the laser amplifying device includes an extension unit that imparts dispersion to the signal light to extend the time width before the nonlinear optical crystal, and a compression unit that imparts reverse dispersion to the amplified light to compress the time width after the nonlinear optical crystal. may be further provided.
  • ultrashort pulsed light with high peak intensity can be obtained by compressing the time width of the amplified light with high energy obtained by chirped pulse amplification after amplification.
  • the amplified light before compression has a relatively wide time width, it is possible to suppress damage to the elements constituting the optical system.
  • a laser amplification method includes an amplification step of amplifying the intensity of signal light and outputting amplified light by inputting signal light and pump light into a nonlinear optical crystal; and a phase adjustment step of adjusting the phase of each wavelength component included, and in the amplification step, for each of the plurality of spatially different crystal portions in the nonlinear optical crystal, the crystal axes of the plurality of crystal portions and the signal light.
  • the signal light and the pumping light are made incident at the same time while at least one of the incident angle and the crystal axes of the plurality of crystal parts and the incident angle of the pumping light are different.
  • amplified light can be generated by amplifying the intensity of the signal light.
  • the crystal axes of the plurality of crystal portions and the incident angle of the signal light and the crystal axes of the plurality of crystal portions and the incident angle of the pumping light are made different from each other, the signal light and the excitation light are incident at the same time.
  • this laser amplification method does not require spatial separation of each wavelength component in the amplified light, and can simplify the optical system for increasing the output of the ultrashort pulsed light.
  • a plurality of crystal parts may be spatially separated and arranged.
  • each wavelength component in the amplified light can be spatially separated more reliably.
  • a plurality of crystal parts may be integrally combined and arranged.
  • miniaturization of the nonlinear optical crystal is achieved.
  • the workability of positioning the nonlinear optical crystal with respect to the optical system of the signal light and pumping light can be enhanced.
  • the crystal axis directions of the plurality of crystal portions may be made different from each other.
  • the angles of the signal light and the excitation light incident on each of the plurality of crystal portions can be uniformly determined. Therefore, it is possible to simplify the angle adjustment of the signal light and the excitation light.
  • a single signal light and pumping light may be incident on each of the plurality of crystal portions.
  • the optical system for signal light and excitation light can be simplified. Unlike the case where a plurality of signal light beams and pump light beams are used, it is possible to prevent changes in optical characteristics due to interference between signal light beams or pump light beams. In addition, the utilization efficiency of the excitation light can be sufficiently ensured.
  • each of the plurality of signal beams may be incident on each of the plurality of crystal portions at an equal angle
  • each of the plurality of pumping beams may be incident on each of the plurality of crystal portions at an equal angle.
  • the crystal axis directions of the plurality of crystal parts may be the same.
  • the configuration of the nonlinear optical crystal can be simplified because there is no need to prepare a plurality of crystal portions having different crystal axis directions.
  • a single signal beam may be incident on each of the plurality of crystal portions, and a plurality of pumping beams may be incident on each of the plurality of crystal portions at different angles.
  • the optical system for signal light can be simplified. Unlike the case where a plurality of signal beams are used, it is possible to prevent changes in optical characteristics due to interference between signal beams. In addition, the utilization efficiency of the excitation light can be sufficiently ensured.
  • each of the plurality of signal lights may be incident on each of the plurality of crystal portions at different angles, and a single pumping light may be incident thereon.
  • the optical system of excitation light can be simplified. Unlike the case where a plurality of excitation light beams are used, it is possible to prevent changes in optical characteristics due to interference between excitation light beams.
  • one of each of the plurality of signal lights and each of the plurality of pumping lights may be incident on each of the plurality of crystal parts at an equal angle, and the other may be incident at a different angle.
  • the wavelength width of each beam is moderately narrowed, and it is possible to suppress the time width of each beam from being excessively narrowed.
  • the peak intensities of the signal light and the excitation light fall within a certain range, so damage to the elements forming the optical system can be suppressed.
  • the laser amplification method may further include a focusing step of focusing the amplified light whose phase of each wavelength component has been adjusted by the phase adjusting step.
  • the laser amplification method includes an extension step of giving dispersion to the signal light to extend the time width as a pre-process of the amplification step, and a compression step of giving reverse dispersion to the amplified light and compressing the time width as a post-amplification step. may be further provided.
  • amplified light with high peak intensity can be obtained by compressing the time width of amplified light having high energy obtained by chirped pulse amplification after amplification.
  • the amplified light before compression has a relatively wide time width, it is possible to suppress damage to the elements constituting the optical system.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the relationship between a nonlinear optical crystal used in an optical parametric amplification method and the optical axis of an incident beam; It is a figure which shows the design example of the amplified light by an optical parametric amplification method.
  • 1 is a schematic diagram showing the configuration of a laser amplification device according to a first embodiment of the present disclosure
  • FIG. FIG. 4 is a schematic diagram showing waveforms of wavelength, phase, and time of signal light and pump light before amplification in the first embodiment
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing waveforms of wavelength, phase, and time of signal light after amplification in the first embodiment
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing waveforms of wavelength, phase, and time of amplified light after phase adjustment in the first embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a temporal waveform of ultrashort pulsed light obtained by a light condensing section in the first embodiment;
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of a laser amplification device according to a second embodiment of the present disclosure;
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing waveforms of wavelength, phase, and time of signal light and pumping light before amplification in the second embodiment;
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of a laser amplification device according to a third embodiment of the present disclosure;
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing the configuration of a laser amplification device according to a fourth embodiment of the present disclosure
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing waveforms of wavelength, phase, and time of signal light and pump light before amplification in the fourth embodiment
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing the configuration of a laser amplification device according to a fifth embodiment of the present disclosure
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing the configuration of a laser amplification device according to a sixth embodiment of the present disclosure
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing waveforms of the wavelength, phase, and time of signal light before expansion in the sixth embodiment
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing waveforms of wavelength, phase, and time of signal light after decompression in the sixth embodiment
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing waveforms of wavelength, phase, and time of signal light after amplification in the sixth embodiment
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing waveforms of wavelength, phase, and time of signal light after phase adjustment in the sixth embodiment
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing waveforms of wavelength, phase, and time of signal light after compression in the sixth embodiment
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing a temporal waveform of ultrashort pulsed light obtained in a light collecting section in the sixth embodiment
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing the configuration of a laser amplification device according to a seventh embodiment of the present disclosure
  • a laser amplifying device and a laser amplifying method according to the present embodiment are configured by applying an optical parametric amplification method for amplifying signal light by making signal light and pumping light incident on a nonlinear optical crystal.
  • the laser amplification device and laser amplification method according to the present embodiment apply the mode-locking method to the amplified light obtained by amplifying the intensity of the signal light by the optical parametric amplification method, and generate, for example, femtosecond-order high-power ultrashort pulse light. It is possible.
  • the wavelength of the amplified laser light is determined by the medium used.
  • the wavelength of the laser light to be amplified is selected by adjusting the crystal cut angle in the nonlinear optical crystal or the angles of the signal light and pumping light incident on the nonlinear optical crystal. can be done.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the relationship between the nonlinear optical crystal used in the optical parametric amplification method and the optical axis of the incident beam.
  • the nonlinear optical crystal 101 propagates the signal light 102 in the direction of an angle ⁇ 1 that satisfies the phase matching angle with respect to a certain crystal axis direction (c-axis in this case), and the propagation direction of the signal light 102
  • the excitation light 103 is propagated in the direction of the angle ⁇ 2 that satisfies the phase matching angle with respect to . This enables optical parametric amplification of the signal light 102 .
  • the wavelength band (amplification band) of the amplified light obtained by amplifying the intensity of the signal light 102 is made different for each of the plurality of nonlinear optical crystals 101. be able to.
  • FIG. 2 is a diagram showing a design example of amplified light by the optical parametric amplification method.
  • the horizontal axis is the crystal cut angle (°)
  • the vertical axis is the wavelength (nm).
  • the curve K shown in the figure is the excitation light with a predetermined angular deviation (angle corresponding to ⁇ 2 in FIG. 1) with respect to the signal light incident parallel to the cut angle of the crystal (angle corresponding to ⁇ 1 in FIG. 1). It shows the wavelengths that can be amplified when incident.
  • the angular deviation between the signal light and the excitation light was 2.6°
  • the wavelength of the excitation light was 527 nm.
  • the cut angles of the nonlinear optical crystals 101A to 101E were 21.70°, 21.66°, 21.62°, 21.58° and 21.54°, respectively.
  • the amplification band of signal light 102 is estimated to be approximately 280 nm.
  • the amplification band of the signal light 102 is estimated to be approximately 100 nm. It can be seen that when a plurality of nonlinear optical crystals 101 with slightly different cut angles are prepared, the amplification band of the signal light 102 in each nonlinear optical crystal 101 is combined and the amplification band of the signal light 102 can be expanded.
  • the time width can be further narrowed by aligning the phases of pulsed light in a wider wavelength range.
  • the time width of the ultrashort pulse light obtained by mode locking was approximately 10 fs.
  • the time width of the ultrashort pulse light obtained by mode locking was narrowed to about 4 fs.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of the laser amplification device according to the first embodiment of the present disclosure.
  • the laser amplification device 1A according to the first embodiment includes an amplification section 2, a phase adjustment section 3, and a light collection section 4.
  • the amplification unit 2 is a part that performs an amplification step of amplifying the intensity of the signal light S and outputting the amplified light A.
  • FIG. The amplification unit 2 includes a signal light source 11 that outputs signal light S, an excitation light source 12 that outputs pumping light E, and a nonlinear optical crystal 13 that emits amplified light A when the signal light S and pumping light E are incident. are doing.
  • the signal light S is light to be amplified by the laser amplifier 1 .
  • the signal light S is pulsed light here.
  • the signal light source 11 for example, a titanium sapphire laser, Er-doped laser, Nd-doped laser, Yb-doped laser, Tm-doped laser, Cr-doped laser, Fe-doped laser, supercontinuum light, or the like can be used.
  • a plurality of (four) signal beams S1 to S4 are made incident on the nonlinear optical crystal 13 from the signal light source 11 .
  • the respective optical axes of the signal lights S1 to S4 are arranged in a line in a direction perpendicular to the direction in which these optical axes extend.
  • the incident angles of the signal lights S1 to S4 with respect to the nonlinear optical crystal 13 are equal to each other.
  • the signal lights S1 to S4 may be output from a plurality of signal light sources 11, respectively.
  • the signal light beams S1 to S4 may be obtained by separating the signal light beam S from the single signal light source 11 by a separation optical system or the like.
  • the pumping light E is light used for amplifying the signal light S.
  • the excitation light E is pulsed light like the signal light S here.
  • the excitation light source 12 for example, a titanium sapphire laser, Er-doped laser, Nd-doped laser, Yb-doped laser, Tm-doped laser, Cr-doped laser, Fe-doped laser, or the like can be used.
  • a plurality of (four) pumping lights E1 to E4 are made incident on the nonlinear optical crystal 13 from the pumping light source 12 .
  • the optical axes of the excitation lights E1 to E4 are arranged in a line in a direction perpendicular to the direction in which these optical axes extend.
  • the incident angles of the excitation lights E1 to E4 with respect to the nonlinear optical crystal 13 are equal to each other.
  • the pumping lights E1 to E4 may be output from a plurality of pumping light sources 12, respectively.
  • the excitation lights E1 to E4 may be obtained by separating the excitation light E from the single excitation light source 12 by a separation optical system or the like.
  • the nonlinear optical crystal 13 is a portion that emits the amplified light A when the signal light S and the pumping light E are incident thereon due to the nonlinear optical effect.
  • the nonlinear optical crystal 13 include BBO ( ⁇ -BaB 2 O 4 ) crystal, LBO (LiB 3 O 5 ) crystal, CLBO (CsLiB 6 O 10 ) crystal, YCOB (YCa 4 O(BO 3 ) 3 ) crystal, GaSe crystal, AgGaS 2 crystal, AgGaSe 2 crystal, LiInS 2 crystal, LiInSe 2 crystal, etc. can be used.
  • the nonlinear optical crystal 13 has a plurality of spatially different crystal portions 13A-13D.
  • “Spatially different” means that they are arranged in the in-plane direction of the beam cross section of the signal light S so as not to overlap each other.
  • the plurality of crystal portions 13A to 13D are arranged in a row with a slight interval along the direction in which the optical axes of the signal beams S1 to S4 are arranged.
  • the plurality of crystal portions 13A to 13D may be integrally bonded with an adhesive or the like, or may be arranged in a state of being in contact with each other without an adhesive or the like.
  • Signal light source 11, pumping light source 12, and nonlinear optical crystal 13 described above make signal light S and pumping light E simultaneously incident on each of the plurality of crystal portions 13A to 13D, and the plurality of crystal portions 13A to 13D. are arranged so that at least one of the crystal axes of the crystal portions 13A to 13D and the incident angles of the excitation light E are different from each other.
  • the signal light S and the excitation light E enter the nonlinear optical crystal 13 from different directions.
  • the difference between the incident angles of the signal beams S1 to S4 and the excitation beams E1 to E4 with respect to the nonlinear optical crystal 13 is, for example, 2.6°.
  • the crystal axis directions of the plurality of crystal portions 13A to 13D are different from each other. That is, the cut angles of the crystal are different from each other in each of the plurality of crystal portions 13A to 13D.
  • the cut angles (angle corresponding to ⁇ 1 in FIG. 1) of the crystal portions 13A to 13D are 21.65°, 21.63°, 21.61°, 21.59°, and 21.57°, respectively. ing.
  • Each of the signal lights S1 to S4 and each of the pump lights E1 to E4 are simultaneously incident on each of the plurality of crystal portions 13A to 13D.
  • the signal light S1 and the pumping light E1 enter the crystal portion 13A at the same time
  • the signal light S2 and the pumping light E2 enter the crystal portion 13B at the same time.
  • the signal light S3 and the excitation light E3 are simultaneously incident on the crystal portion 13C.
  • the signal light S4 and the excitation light E4 are simultaneously incident on the crystal portion 13D.
  • Amplified lights A1 to A4 obtained by amplifying the respective intensities of the signal lights S1 to S4 are emitted from the plurality of crystal parts 13A to 13D, respectively.
  • the output optical axis of each of the amplified lights A1 to A4 coincides with the optical axis of the signal lights S1 to S4 before amplification.
  • the nonlinear optical crystal 13 has a plurality of spatially different crystal portions 13A to 13D. Therefore, each of the amplified lights A1 to A4 is emitted from each of the plurality of crystal portions 13A to 13D while being spatially separated from each other.
  • the phase adjustment unit 3 is a part that executes a phase adjustment step for adjusting the phase of each wavelength component contained in the signal light S or the amplified light A.
  • the phase adjustment unit 3 can be configured by, for example, a spatial light phase modulator such as LCOS-SLM, a deformable mirror, a femtosecond pulse shaper, an acoustooptic programmable dispersion filter, or the like.
  • the phase adjusters 3 are arranged on the optical axes of the amplified lights A1 to A4 between the nonlinear optical crystal 13 and the light condensing section 4, respectively.
  • the phase adjuster 3 adjusts the phases so that the phases of the respective wavelength components contained in the amplified lights A1 to A4 are aligned with each other.
  • the amplified lights A1 to A4 pass through an optical window 15 of a vacuum chamber 14, which will be described later, when entering the light collecting section 4.
  • FIG. Therefore, it is preferable that the phase adjuster 3 adjusts the phase of each wavelength component contained in the amplified light beams A1 to A4, taking into consideration the phase shift due to passage through the optical window 15.
  • the phase adjusting section 3 may act so that the phases of the respective wavelength components contained in the amplified light A are aligned when the amplified light A is incident on the condensing section 4 downstream of the nonlinear optical crystal 13 .
  • the phases of the respective wavelength components contained in the amplified light A may not be aligned at the stage of passing through the phase adjustment unit 3 . Therefore, the phase adjustment section 3 may be arranged on the front stage side of the nonlinear optical crystal 13 .
  • the phase adjusters 3 may be arranged on the optical axes of the signal lights S1 to S4 between the signal light source 11 and the nonlinear optical crystal 13, respectively. In this case, the phase of each wavelength component contained in the signal lights S1 to S4 may be adjusted in consideration of both the phase shift due to passage through the nonlinear optical crystal 13 and the phase shift due to passage through the optical window 15.
  • the condensing unit 4 is a part that performs a condensing step of condensing the amplified light A whose phase of each wavelength component has been adjusted by the phase adjusting unit 3 .
  • the condensing unit 4 is configured by, for example, a condensing lens 16 arranged in the vacuum chamber 14 .
  • the condenser lens 16 is, for example, a convex lens.
  • the condensing part 4 may be configured by a concave mirror.
  • the amplified lights A1 to A4 whose phases of the respective wavelength components are aligned through the phase adjustment unit 3 enter the vacuum chamber 14 through the optical windows 15 arranged corresponding to the respective optical axes of the amplified lights A1 to A4.
  • the condensing lens 16 It is incident and condensed to one point by the condensing lens 16 .
  • the respective wavelength components of the amplified light beams A1 to A4 are combined to form broadband light, and a high-output ultrashort pulse at the condensing point.
  • Light P is generated.
  • FIG. 4 to 6 are diagrams schematically showing the waveforms of the signal light S, pumping light E, and amplified light A in wavelength, phase, and time at each position of the laser amplifier 1A.
  • FIG. 4 schematically shows waveforms of wavelength, phase, and time of the signal light S emitted from the signal light source 11 and the pumping light E emitted from the pumping light source 12 (that is, the signal light S and the pumping light before amplification).
  • FIG. 4 is a diagram showing;
  • the signal lights S1 to S4 have different center wavelengths, for example, in the range of 700 nm to 1100 nm.
  • the phases of the signal lights S1 to S4 are substantially constant within each wavelength band and aligned with each other.
  • the time widths of the signal lights S1 to S4 are, for example, in the range of 10 fs to 1 ps, and are generally inversely proportional to their own wavelength widths.
  • the excitation lights E1 to E4 have the same center wavelength.
  • the center wavelengths of the excitation lights E1 to E4 may be different from each other.
  • the phases of the pumping lights E1 to E4 are substantially constant within each wavelength band and aligned with each other.
  • the time widths of the excitation lights E1 to E4 are, for example, in the range of 1 ps to 1 ns.
  • the signal light S1 has a center wavelength of 800 nm, a wavelength width of 100 nm, and a time width (full width at half maximum) of 10 fs.
  • the signal light S2 has a central wavelength of 885 nm, a wavelength width of 70 nm, and a time width (full width at half maximum) of 16 fs.
  • the signal light S3 has a central wavelength of 945 nm, a wavelength width of 50 nm, and a time width (full width at half maximum) of 26 fs.
  • the signal light S4 has a central wavelength of 984 nm, a wavelength width of 28 nm, and a time width (full width at half maximum) of 50 fs.
  • the excitation lights E1 to E4 have a central wavelength of 527 nm, a wavelength width of 0.1 nm, and a time width (full width at half maximum) of 10 ps.
  • Each wavelength component of the signal light S may have a wider band than the wavelength band amplified by the amplifier 2 . That is, the wavelength bands of the signal lights S1 to S4 may overlap each other.
  • the wavelength band of the amplified light A condensed by the condensing unit 4 is continuous, and the time waveform of the obtained ultrashort pulsed light P can be approximated to Gaussian distribution or Sinc function distribution. Even if the wavelength bands of the signal lights S1 to S4 do not overlap each other, it is possible to obtain ultrashort pulsed light with a time waveform different from the Gaussian distribution by making the wavelength bands close to each other.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing the waveform of the amplified light A (that is, the signal light S after amplification) emitted from the nonlinear optical crystal 13 in terms of wavelength, phase, and time.
  • the amplified lights A1 to A4 emitted from the nonlinear optical crystal 13 have higher intensities than the signal lights S1 to S4 due to optical parametric amplification.
  • the nonlinear optical crystal 13 has a property that the refractive index varies depending on the wavelength of incident light. Therefore, the phases of the respective wavelength components of the amplified lights A1 to A4 are delayed in accordance with the respective wavelength components of the signal lights S1 to S4, causing deviations from each other.
  • the time widths of the amplified lights A1 to A4 are maintained at the time widths of the signal lights S1 to S4. A shift corresponding to the wavelength difference occurs in the peak position of the time waveform.
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing the waveform of the amplified light A after phase adjustment, in terms of wavelength, phase, and time.
  • the phase-adjusted amplified lights A1 to A4 maintain the intensity before the phase adjustment, while the phases of the wavelength components generated during amplification by the nonlinear optical crystal 13 are aligned with each other. be done.
  • a short pulse light P is generated.
  • the laser amplification device 1A by making the signal light S and the pumping light E incident on the nonlinear optical crystal 13, the amplified light A obtained by amplifying the intensity of the signal light S can be generated.
  • the signal light S and the pumping light E are incident on each of the plurality of spatially different crystal portions 13A to 13D in the nonlinear optical crystal 13, and the crystal axes of the plurality of crystal portions 13A to 13D are aligned. , the incident angles of the signal light S and the crystal axes of the plurality of crystal portions 13A to 13D and the incident angles of the excitation light E are different.
  • the phases of the wavelength components of the amplified light beams A1 to A4 emitted from the nonlinear optical crystal 13 are different from each other, these wavelength components can be emitted from the nonlinear optical crystal 13 in a spatially separated state. Therefore, in the laser amplifying device 1A, spatial separation of each wavelength component in the amplified light beams A1 to A4 is not required, and there is no need to arrange an optical component such as a diffraction grating in the optical system.
  • the optical system for high output can be simplified.
  • the plurality of crystal portions 13A-13D are arranged spatially separated. Thereby, each wavelength component in the amplified light A1 to A4 can be spatially separated more reliably.
  • the plurality of crystal portions 13A to 13D are integrally bonded with an adhesive or the like, the size of the nonlinear optical crystal 13 can be reduced. Moreover, the workability of positioning the nonlinear optical crystal 13 with respect to the optical system of the signal light S and the excitation light E can be enhanced.
  • crystal axis directions of the plurality of crystal portions 13A to 13D are different from each other.
  • the plurality of signal beams S1 to S4 are incident on the plurality of crystal portions 13A to 13D at the same angle, and the plurality of excitation beams E1 to E4 are incident on the crystal portions 13A to 13D at the same angle.
  • the angles of the signal light beams S1 to S4 and the excitation light beams E1 to E4 incident on the plurality of crystal portions 13A to 13D are changed to It can be determined uniformly. Therefore, the angle adjustment of the signal light S and the excitation light E can be simplified.
  • the wavelength width of each beam is appropriately narrowed compared to the case of a single beam with a wide wavelength width and a narrow time width, and the time width of each beam is reduced. Excessive narrowing can be suppressed. As a result, the peak intensities of the signal light beams S1 to S4 and the excitation light beams E1 to E4 fall within a certain range, so that damage to the elements constituting the optical system can be suppressed.
  • the laser amplifying device 1A is provided with a condensing section 4 for condensing the amplified light beams A1 to A4 whose phases of the respective wavelength components have been adjusted by the phase adjusting section 3.
  • FIG. 1A the high-output ultrashort pulsed light P can be generated without performing spatial separation of each wavelength component in the subsequent stage of the amplifying section 2 .
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing the configuration of the laser amplification device according to the second embodiment of the present disclosure.
  • the signal light S and the pumping light E are incident as a single line on each of the plurality of crystal portions 13A to 13D. It differs from the first embodiment.
  • the crystal axis directions of the multiple crystal portions 13A to 13D are different from each other as in the first embodiment.
  • the signal light S has a wide wavelength band of 200 nm or more in the range of 700 nm to 1100 nm, for example.
  • the phase of the signal light S is approximately constant within each wavelength band.
  • the time width of the signal light S is in the range of 10 fs to 1 ps, for example, and is inversely proportional to its own wavelength width.
  • the time width of the signal light S is, for example, 4.5 fs.
  • the wavelength, phase, and time waveform of the excitation light E are the same as those of the excitation lights E1 to E4 of the first embodiment.
  • the amplified light A emitted from the nonlinear optical crystal 13 also appears to be a single beam.
  • the actual amplified light A is the amplified light A1 to A4 emitted from each of the plurality of spatially different crystal portions 13A to 13D.
  • can be regarded as a collection of The phases of the wavelength components of the amplified lights A1 to A4 are different from each other (see FIG. 5), but the amplified lights A1 to A4 are spatially separated from the nonlinear optical crystal 13 to the plurality of crystal parts 13A to 13D. emitted from each.
  • a laser amplifying device 1B as in the first embodiment, spatial separation of each wavelength component in the amplified light beams A1 to A4 is not required, and an optical component such as a diffraction grating, for example, needs to be arranged in the optical system. , the optical system for increasing the output of the ultrashort pulsed light P can be simplified.
  • a single signal light S and a single pumping light E are incident on each of the plurality of crystal portions 13A to 13D.
  • the optical system for the signal light S and excitation light E can be simplified.
  • the adjustment of the optical axes of the signal light S and the excitation light E becomes easy.
  • the phase adjustment in the phase adjustment unit 3 can be performed with high accuracy. Unlike the case where a plurality of signal beams S and excitation beams E are used, it is possible to prevent changes in optical characteristics due to interference between signal beams S or excitation beams E. FIG. In addition, the utilization efficiency of the excitation light E can be sufficiently ensured. [Third embodiment]
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing the configuration of a laser amplification device according to the third embodiment of the present disclosure.
  • the laser amplifying device 1C according to the third embodiment differs from the first embodiment in that the crystal axis directions of the plurality of crystal portions 13A to 13D are the same.
  • the nonlinear optical crystal 13 is composed of a crystal with one direction as the crystal axis direction.
  • the cut angle of the crystal portion (the angle corresponding to ⁇ 1 in FIG. 1) is, for example, 21.65°.
  • the nonlinear optical crystal 13 appears to be a single crystal, it can be regarded as an aggregate of a plurality of crystal portions 13A to 13D having the same crystal axis direction.
  • the wavelength, phase, and time waveforms of the signal light S and the pumping light E are the same as those of the signal lights S1 to S4 and the pumping lights E1 to E4 of the first embodiment (see FIG. 4). ).
  • the plurality of signal beams S1 to S4 are incident on the plurality of crystal portions 13A to 13D at the same angles, and the plurality of pumping beams E1 to E4 are incident on the respective crystal portions 13A to 13D. Incident at different angles.
  • each of the plurality of excitation lights E1 to E4 has an angle (angle corresponding to ⁇ 2 in FIG. 1) with respect to each of the signal lights S1 to S4 incident on each of the plurality of crystal portions 13A to 13D. 1.9°, 2.0°, 2.1°, and 2.5°.
  • each wavelength component contained in the signal light S can be amplified even if the crystal axis directions of the plurality of crystal portions 13A to 13D are the same.
  • a laser amplifying device 1C as in the first embodiment, spatial separation of each wavelength component in the amplified light beams A1 to A4 is not required, and an optical component such as a diffraction grating, for example, needs to be arranged in the optical system. , the optical system for increasing the output of the ultrashort pulsed light P can be simplified.
  • the plurality of signal beams S1 to S4 are incident on the plurality of crystal portions 13A to 13D at the same angles, and the plurality of pumping beams E1 to E4 are at different angles. Incident at In this way, by dividing the signal light S into a plurality of beams, the wavelength width of each beam is appropriately narrowed compared to the case of a single beam with a wide wavelength width and a narrow time width, and the time of each beam is Excessive narrowing of the width can be suppressed. As a result, the peak intensities of the signal light S and the excitation light E fall within a certain range, so damage to the elements forming the optical system can be suppressed.
  • one of each of the plurality of signal beams S1 to S4 and each of the plurality of pumping beams E1 to E4 is incident on each of the plurality of crystal portions 13A to 13D at the same angle, and the other It is sufficient if they are incident at mutually different angles. Therefore, the plurality of signal beams S1 to S4 are incident on the crystal portions 13A to 13D at different angles, and the excitation beams E1 to E4 are incident on the crystal portions 13A to 13D at the same angle.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing the configuration of the laser amplification device according to the fourth embodiment of the present disclosure. As shown in the figure, the laser amplifying device 1D according to the fourth embodiment differs from the third embodiment in that the signal light S is single.
  • the signal light S has a wide wavelength band of 200 nm or more in the range of 700 nm to 1100 nm, for example.
  • the phase of the signal light S is approximately constant within each wavelength band.
  • the time width of the signal light S is in the range of 10 fs to 1 ps, for example, and is inversely proportional to its own wavelength width.
  • the time width of the signal light S is, for example, 4.5 fs.
  • Wavelengths, phases, and time waveforms of the excitation lights E1 to E4 are the same as those of the excitation lights E1 to E4 of the first embodiment.
  • each of the plurality of excitation lights E1 to E4 has an angle (angle corresponding to ⁇ 2 in FIG. 1) with respect to each of the signal lights S1 to S4 incident on each of the plurality of crystal portions 13A to 13D. 1.9°, 2.0°, 2.1°, and 2.5°. Thereby, each wavelength component contained in the signal light S can be amplified even if the crystal axis directions of the plurality of crystal portions 13A to 13D are the same.
  • the amplified light A emitted from the nonlinear optical crystal 13 also appears to be a single beam.
  • the intensity difference between the amplified portion and the non-amplified portion is, for example, about 1000 times.
  • the amplified lights A1 to A4 are different from each other (see FIG. 5), the amplified lights A1 to A4 are spatially separated from the nonlinear optical crystal 13 to the plurality of crystal portions 13A to 13D. emitted from each.
  • the laser amplifier 1D uses a single signal light S for each of the plurality of crystal portions 13A to 13D, it is not necessary to use a plurality of signal light sources 11, and the optical system of the signal light S is simplified. can. Also, the adjustment of the optical axis of the signal light S becomes easier.
  • the single signal light S the phase adjustment in the phase adjustment unit 3 can be performed with high accuracy. Unlike the case where a plurality of signal beams S are used, it is possible to prevent changes in optical characteristics due to interference between signal beams S. FIG. In addition, the utilization efficiency of the excitation light E can be sufficiently ensured.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing the configuration of the laser amplification device according to the fifth embodiment of the present disclosure. As shown in the figure, the laser amplifying device 1E according to the fifth embodiment differs from the third embodiment in that the pumping light E is a single beam.
  • the wavelengths, phases, and time waveforms of the signal lights S1 to S4 are the same as those of the signal lights S1 to S4 of the first embodiment (see FIG. 4).
  • the wavelength, phase, and time waveform of the excitation light E are the same as those of the excitation light E of the second embodiment (see FIG. 9).
  • the plurality of signal beams S1 to S4 are incident on the plurality of crystal portions 13A to 13D at different angles.
  • each of the plurality of signal beams S1 to S4 has an angle of 0° and 0.04° with respect to the cut angle of each of the plurality of crystal portions 13A to 13D (angle corresponding to ⁇ 1 in FIG. 1). , 0.07° and 0.1°.
  • Each of the plurality of signal beams S1 to S4 has an angle (angle corresponding to ⁇ 2 in FIG. 1) with respect to the excitation light E incident on each of the plurality of crystal portions 13A to 13D of 2.5°, 2.46°, 2.43° and 2.4°.
  • a laser amplifying device 1E as in the first embodiment, spatial separation of each wavelength component in the amplified light beams A1 to A4 becomes unnecessary, and an optical component such as a diffraction grating, for example, needs to be arranged in the optical system. , the optical system for increasing the output of the ultrashort pulsed light P can be simplified. Since the laser amplifier 1E uses a single pumping light E for each of the plurality of crystal portions 13A to 13D, it is not necessary to use a plurality of pumping light sources 12, simplifying the optical system of the pumping light E. can. Also, the adjustment of the optical axis of the excitation light E becomes easy. Unlike the case where a plurality of excitation light beams E are used, it is possible to prevent changes in optical characteristics due to interference between the excitation light beams E. FIG.
  • the angle adjustment mechanism 18 for aligning the optical axes of the amplified lights A1 to A4 emitted from the nonlinear optical crystal 13 can be arranged on the optical path between the nonlinear optical crystal 13 and the condensing section 4.
  • the angle adjustment mechanism 18 can be configured by, for example, an optical mirror, an electro-optic modulator, an acousto-optic modulator, or the like.
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing the configuration of the laser amplification device according to the sixth embodiment of the present disclosure. As shown in the figure, the laser amplification device 1F according to the sixth embodiment differs from the first embodiment in that it further has a so-called chirped pulse amplification function.
  • the laser amplification device 1F further includes a pulse expander (expansion section) 21 and a pulse compressor (compression section) 22 in addition to the configuration of the laser amplification device 1A.
  • the pulse extender 21 is a device that performs an extension step of imparting dispersion to the signal light S to extend the time width.
  • the pulse stretcher 21 is arranged on the front stage side of the nonlinear optical crystal 13 .
  • the pulse compressor 22 is a device that performs a compression step of imparting inverse dispersion to the amplified light A to compress the time width.
  • the pulse compressor 22 is arranged behind the nonlinear optical crystal 13 . In the example of FIG.
  • the pulse stretcher 21 is arranged on the optical path of the signal light S between the signal light source 11 and the nonlinear optical crystal 13 .
  • the pulse compressor 22 is arranged on the optical path of the amplified light A between the phase adjuster 3 and the vacuum chamber 14 .
  • the signal light S before expansion has a wide wavelength band exceeding the range of 700 nm to 1100 nm, for example.
  • the phase of the signal light S is approximately constant within each wavelength band.
  • the time width of the signal light S is inversely proportional to the width of each wavelength band, for example, in the range of several fs to 1 ps.
  • the time width of the signal light S is, for example, 4.5 fs.
  • Wavelengths, phases, and time waveforms of the pumping lights E1 to E4 are the same as those of the pumping lights E1 to E4 of the first embodiment (see FIG. 4).
  • the expanded signal light S is expanded in time width by the pulse expander 21 and divided into a plurality of signal lights S1 to S4 having the same wavelength width.
  • the wavelength width and phase are maintained as before the expansion, while the time width is widened to about 10 ps to 1 ns.
  • the time width of the signal lights S1 to S4 is, for example, 1 ns.
  • the amplified light beams A1 to A4 emitted from the nonlinear optical crystal 13 have an increased intensity relative to the signal light beams S1 to S4 due to optical parametric amplification, and four beams having different wavelength widths and central wavelengths. beam.
  • the phase of each wavelength component of the amplified lights A1 to A4 is delayed according to the wavelength. For example, the shorter the wavelength, the greater the amount of phase delay. Therefore, the phases of the respective wavelength components of the amplified lights A1 to A4 are shifted according to the wavelength difference.
  • Each of the amplified lights A1 to A4 has a different time width depending on the wavelength width.
  • the intensity before the phase adjustment is maintained, while the phases of the wavelength components generated during amplification by the nonlinear optical crystal 13 are aligned with each other. be done.
  • the amplified lights A1 to A4 after compression maintain the wavelength width and phase as they were before compression, while narrowing the time width to about 10 fs to 1 ps.
  • Each of the amplified lights A1 to A4 after compression also has a different time width depending on the wavelength width.
  • a short pulse light P is generated.
  • the laser amplifying device 1F applying chirped pulse amplification is capable of generating ultrashort pulse light P having a peak intensity higher by about four orders of magnitude than that of the laser amplifying device 1A.
  • ultrashort pulse light P with high peak intensity can be obtained by compressing the time width of the amplified light A1 to A4 having high energy obtained by chirped pulse amplification after amplification. Since the amplified lights A1 to A4 before compression have a relatively wide time width, it is possible to suppress damage to the elements forming the optical system.
  • FIG. 21 is a schematic diagram showing the configuration of a laser amplification device according to the seventh embodiment of the present disclosure.
  • the laser amplifying device 1G according to the seventh embodiment is arranged such that the signal light S and the pumping light E are simultaneously incident on the plurality of crystal portions 13A to 13D from the same direction. It differs from one embodiment.
  • the multiple (four) pumping lights E1 to E4 output from the pumping light source 12 first travel in a direction perpendicular to the optical axes of the signal lights S1 to S4 output from the signal light source 11. After that, the pumping lights E1 to E4 are combined with the signal lights S1 to S4 by the beam combiner 20 arranged on the respective optical axes of the signal lights S1 to S4, and the nonlinear optical crystals are coupled coaxially with the signal lights S1 to S4. 13.
  • a dichroic mirror for example, can be used as the beam coupling unit 20 .
  • the signal light S and the pumping light E enter the nonlinear optical crystal 13 from the same direction. Therefore, the difference in incident angle between the signal light beams S1 to S4 and the excitation light beams E1 to E4 with respect to the nonlinear optical crystal 13 (the angle corresponding to ⁇ 2 in FIG. 1) is 0°.
  • the cut angles (angle corresponding to ⁇ 1 in FIG. 1) of the crystal portions 13A to 13D are 22.98°, 22.94°, 22.90° and 22.86°, respectively.

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Abstract

レーザ増幅装置１Ａは、増幅部２及び位相調整部３を備え、増幅部２は、信号光源１１と、励起光源１２と、非線形光学結晶１３とを有し、非線形光学結晶１３は、空間的に異なる複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄを有し、信号光源１１、励起光源１２、及び非線形光学結晶１３は、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれに対し、信号光Ｓ及び励起光Ｅが同時に入射し、且つ、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄの結晶軸と信号光Ｓの入射角度及び複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄの結晶軸と励起光Ｅの入射角度の少なくとも一方が異なるように配置されている。

Description

レーザ増幅装置及びレーザ増幅方法
　本開示は、レーザ増幅装置及びレーザ増幅方法に関する。
　例えばフェムト秒オーダの超短パルス光を得る方法として、広いスペクトル帯域を有するビーム内の各波長成分の位相を揃えてレーザ発振させるモードロック法が知られている。近年では、超短パルス光の高出力化の要求が高まってきており、モードロック法の適用にあたって広いスペクトル帯域を有するレーザ光を増幅させる技術の開発が進められている。かかるレーザ増幅に関する技術として、非線形光学結晶に信号光及び励起光を入射し、信号光の増幅を行う光パラメトリック増幅法が知られている。
　光パラメトリック増幅法を用いたレーザ増幅装置としては、例えば特許文献１に記載のレーザ増幅装置がある。この従来のレーザ増幅装置は、信号光を透過する非線形光学結晶と、励起光を整形して非線形光学結晶に入射させる整形光学系とを備えている。整形光学系は、励起光を第１分割ビーム及び第２分割ビームに分割する光学アレイを有している。整形光学系は、第１分割ビームと信号光との間の角度が第２分割ビームと信号光との間の角度と異なるように、第１分割ビーム及び第２分割ビームを非線形光学結晶に集光させるレンズを有している。
特開２０２０－１１２７０６号公報
　一般に、非線形光学結晶は、入射する光の波長によって屈折率が異なる性質を有している。このような性質に対し、上述した特許文献１に記載のレーザ増幅装置では、励起光を分割している一方で、１つのビームで広いスペクトル帯域を有する信号光を用い、非線形光学結晶の同一の部分に対して信号光及び励起光を空間的及び時間的に重複して入射させている。このため、特許文献１に記載のレーザ増幅装置では、増幅後の信号光（増幅光）の各波長成分の位相が互いに異なると共に、これらの各波長成分が空間的に分離しない状態で非線形光学結晶から出射することとなる。したがって、増幅光を用いてモードロックを行う場合、各波長成分を空間的に分離してから位相の調整を行う必要があり、超短パルス光を高出力化するための光学系が複雑になることが考えられる。
　本開示は、上記課題の解決のためになされたものであり、増幅光における各波長成分の空間的な分離が不要であり、超短パルス光を高出力化するための光学系を簡素化できるレーザ増幅装置及びレーザ増幅方法を提供することを目的とする。
　本開示の一側面に係るレーザ増幅装置は、信号光の強度を増幅して増幅光を出力する増幅部と、信号光又は増幅光に含まれる各波長成分の位相を調整する位相調整部と、を備え、増幅部は、信号光を出力する信号光源と、励起光を出力する励起光源と、信号光及び励起光の入射によって増幅光を出射する非線形光学結晶と、を有し、非線形光学結晶は、空間的に異なる複数の結晶部分を有し、信号光源、励起光源、及び非線形光学結晶は、複数の結晶部分のそれぞれに対し、信号光及び励起光が同時に入射し、且つ、複数の結晶部分の結晶軸と信号光の入射角度及び複数の結晶部分の結晶軸と励起光の入射角度の少なくとも一方が異なるように配置されている。
　このレーザ増幅装置では、非線形光学結晶に信号光及び励起光を入射させることにより、信号光の強度を増幅した増幅光を生成することができる。このレーザ増幅装置では、非線形光学結晶において空間的に異なる複数の結晶部分のそれぞれに対し、信号光及び励起光が同時に入射し、且つ、複数の結晶部分の結晶軸と信号光の入射角度及び複数の結晶部分の結晶軸と励起光の入射角度の少なくとも一方が異なっている。このため、非線形光学結晶から出射する増幅光の各波長成分の位相は互いに異なるが、これらの各波長成分を空間的に分離した状態で非線形光学結晶から出射させることができる。したがって、このレーザ増幅装置では、増幅光における各波長成分の空間的な分離が不要となり、超短パルス光を高出力化するための光学系を簡素化できる。
　複数の結晶部分は、空間的に分離して配置されていてもよい。この場合、増幅光における各波長成分をより確実に空間的に分離することができる。
　複数の結晶部分は、一体的に結合されていてもよい。この場合、非線形光学結晶の小型化が図られる。また、信号光及び励起光の光学系に対する非線形光学結晶の位置決めの作業性を高めることができる。
　複数の結晶部分のそれぞれの結晶軸方向が互いに異なっていてもよい。この場合、複数の結晶部分のそれぞれに入射する信号光及び励起光の角度を一律に定めることができる。したがって、信号光及び励起光の角度調整を簡単化できる。
　複数の結晶部分のそれぞれに対し、信号光及び励起光が単一本で入射してもよい。この場合、信号光及び励起光の光学系を簡単化できる。信号光及び励起光を複数本とする場合とは異なり、信号光同士或いは励起光同士の干渉に伴う光学的な特性の変化を防止できる。また、励起光の利用効率も十分に担保できる。
　複数の結晶部分のそれぞれに対し、複数本の信号光のそれぞれが互いに等しい角度で入射すると共に、複数本の励起光のそれぞれが互いに等しい角度で入射してもよい。信号光を複数本に分ける場合、波長幅が広く且つ時間幅が狭い単一本のビームの場合と比較して各ビームの波長幅が適度に狭くなり、各ビームの時間幅が過剰に狭くなることを抑制できる。これにより、信号光及び励起光のピーク強度が一定の範囲に収まるため、光学系を構成する素子の損傷を抑制できる。
　複数の結晶部分の結晶軸方向が互いに同一であってもよい。この場合、結晶軸方向が互いに異なる複数の結晶部分を用意する必要がなくなるため、非線形光学結晶の構成を簡素化できる。
　複数の結晶部分のそれぞれに対し、信号光が単一本で入射すると共に、複数本の励起光のそれぞれが互いに異なる角度で入射してもよい。この場合、信号光の光学系を簡単化できる。信号光を複数本とする場合とは異なり、信号光同士の干渉に伴う光学的な特性の変化を防止できる。また、励起光の利用効率も十分に担保できる。
　複数の結晶部分のそれぞれに対し、複数の信号光のそれぞれが互いに異なる角度で入射すると共に、励起光が単一本で入射してもよい。この場合、励起光の光学系を簡単化できる。励起光を複数本とする場合とは異なり、励起光同士の干渉に伴う光学的な特性の変化を防止できる。
　複数の結晶部分のそれぞれに対し、複数の信号光のそれぞれ及び複数の励起光のそれぞれの一方が互いに等しい角度で入射し、他方が互いに異なる角度で入射してもよい。信号光及び励起光を複数本に分ける場合、各ビームの波長幅が適度に狭くなり、各ビームの時間幅が過剰に狭くなることを抑制できる。これにより、信号光及び励起光のピーク強度が一定の範囲に収まるため、光学系を構成する素子の損傷を抑制できる。
　レーザ増幅装置は、位相調整部によって各波長成分の位相が調整された増幅光を集光する集光部を更に備えてもよい。これにより、増幅部の後段で各波長成分の空間的な分離を行うことなく、高出力の超短パルス光を発生させることができる。
　レーザ増幅装置は、非線形光学結晶の前段において信号光に分散を与えて時間幅を伸長させる伸長部と、非線形光学結晶の後段において増幅光に逆分散を与えて時間幅を圧縮する圧縮部と、を更に備えていてもよい。この場合、チャープパルス増幅によって得られた高いエネルギーを有する増幅光の時間幅を増幅後に圧縮することで、ピーク強度の高い超短パルス光を得ることができる。また、圧縮前の増幅光は、比較的広い時間幅を有するため、光学系を構成する素子の損傷を抑制できる。
　本開示の一側面に係るレーザ増幅方法は、信号光及び励起光を非線形光学結晶に入射することにより、信号光の強度を増幅して増幅光を出力する増幅ステップと、信号光又は増幅光に含まれる各波長成分の位相を調整する位相調整ステップと、を備え、増幅ステップでは、非線形光学結晶において空間的に異なる複数の結晶部分のそれぞれに対し、複数の結晶部分の結晶軸と信号光の入射角度及び複数の結晶部分の結晶軸と励起光の入射角度の少なくとも一方を異ならせた状態で、信号光及び励起光を同時に入射する。
　このレーザ増幅方法では、非線形光学結晶に信号光及び励起光を入射させることにより、信号光の強度を増幅した増幅光を生成することができる。このレーザ増幅方法では、非線形光学結晶において空間的に異なる複数の結晶部分のそれぞれに対し、複数の結晶部分の結晶軸と信号光の入射角度及び複数の結晶部分の結晶軸と励起光の入射角度の少なくとも一方を異ならせた状態で、信号光及び励起光が同時に入射する。このため、非線形光学結晶から出射する増幅光の各波長成分の位相は互いに異なるが、これらの各波長成分を空間的に分離した状態で非線形光学結晶から出射させることができる。したがって、このレーザ増幅方法では、増幅光における各波長成分の空間的な分離が不要となり、超短パルス光を高出力化するための光学系を簡素化できる。
　増幅ステップでは、複数の結晶部分を空間的に分離して配置してもよい。この場合、増幅光における各波長成分をより確実に空間的に分離することができる。
　増幅ステップでは、複数の結晶部分を一体的に結合して配置してもよいこの場合、非線形光学結晶の小型化が図られる。また、信号光及び励起光の光学系に対する非線形光学結晶の位置決めの作業性を高めることができる。
　増幅ステップでは、複数の結晶部分のそれぞれの結晶軸方向を互いに異ならせてもよい。この場合、複数の結晶部分のそれぞれに入射する信号光及び励起光の角度を一律に定めることができる。したがって、信号光及び励起光の角度調整を簡単化できる。
　増幅ステップでは、複数の結晶部分のそれぞれに対し、信号光及び励起光を単一本で入射させてもよい。この場合、信号光及び励起光の光学系を簡単化できる。信号光及び励起光を複数本とする場合とは異なり、信号光同士或いは励起光同士の干渉に伴う光学的な特性の変化を防止できる。また、励起光の利用効率も十分に担保できる。
　増幅ステップでは、複数の結晶部分のそれぞれに対し、複数本の信号光のそれぞれを互いに等しい角度で入射させると共に、複数本の励起光のそれぞれを互いに等しい角度で入射させてもよい。信号光を複数本に分ける場合、波長幅が広く且つ時間幅が狭い単一本のビームの場合と比較して各ビームの波長幅が適度に狭くなり、各ビームの時間幅が過剰に狭くなることを抑制できる。これにより、信号光及び励起光のピーク強度が一定の範囲に収まるため、光学系を構成する素子の損傷を抑制できる。
　増幅ステップでは、複数の結晶部分の結晶軸方向を互いに同一としてもよい。この場合、結晶軸方向が互いに異なる複数の結晶部分を用意する必要がなくなるため、非線形光学結晶の構成を簡素化できる。
　増幅ステップでは、複数の結晶部分のそれぞれに対し、信号光を単一本で入射させると共に、複数本の励起光のそれぞれを互いに異なる角度で入射させてもよい。この場合、信号光の光学系を簡単化できる。信号光を複数本とする場合とは異なり、信号光同士の干渉に伴う光学的な特性の変化を防止できる。また、励起光の利用効率も十分に担保できる。
　増幅ステップでは、複数の結晶部分のそれぞれに対し、複数の信号光のそれぞれを互いに異なる角度で入射させると共に、励起光を単一本で入射させてもよい。この場合、励起光の光学系を簡単化できる。励起光を複数本とする場合とは異なり、励起光同士の干渉に伴う光学的な特性の変化を防止できる。
　増幅ステップでは、複数の結晶部分のそれぞれに対し、複数の信号光のそれぞれ及び複数の励起光のそれぞれの一方を互いに等しい角度で入射させ、他方を互いに異なる角度で入射させてもよい。信号光及び励起光を複数本に分ける場合、各ビームの波長幅が適度に狭くなり、各ビームの時間幅が過剰に狭くなることを抑制できる。これにより、信号光及び励起光のピーク強度が一定の範囲に収まるため、光学系を構成する素子の損傷を抑制できる。
　レーザ増幅方法は、位相調整ステップによって各波長成分の位相が調整された増幅光を集光する集光ステップを更に備えていてもよい。これにより、増幅部の後段で各波長成分の空間的な分離を行うことなく、高出力の超短パルス光を発生させることができる。
　レーザ増幅方法は、増幅ステップの前工程として信号光に分散を与えて時間幅を伸長させる伸長ステップと、増幅ステップの後工程として増幅光に逆分散を与えて時間幅を圧縮する圧縮ステップと、を更に備えていてもよい。この場合、チャープパルス増幅によって得られた高いエネルギーを有する増幅光の時間幅を増幅後に圧縮することで、ピーク強度の高い増幅光を得ることができる。また、圧縮前の増幅光は、比較的広い時間幅を有するため、光学系を構成する素子の損傷を抑制できる。
　本開示によれば、増幅光における各波長成分の空間的な分離が不要であり、超短パルス光を高出力化するための光学系を簡素化できる。
光パラメトリック増幅法に用いられる非線形光学結晶と入射ビームの光軸との関係を示す模式的な図である。 光パラメトリック増幅法による増幅光の設計例を示す図である。 本開示の第１実施形態に係るレーザ増幅装置の構成を示す模式的な図である。 第１実施形態における増幅前の信号光及び励起光の波長、位相、及び時間の波形の様子を示す模式的な図である。 第１実施形態における増幅後の信号光の波長、位相、及び時間の波形の様子を示す模式的な図である。 第１実施形態における位相調整後の増幅光の波長、位相、及び時間の波形の様子を示す模式的な図である。 第１実施形態において集光部で得られる超短パルス光の時間波形を示す模式的な図である。 本開示の第２実施形態に係るレーザ増幅装置の構成を示す模式的な図である。 第２実施形態における増幅前の信号光及び励起光の波長、位相、及び時間の波形の様子を示す模式的な図である。 本開示の第３実施形態に係るレーザ増幅装置の構成を示す模式的な図である。 本開示の第４実施形態に係るレーザ増幅装置の構成を示す模式的な図である。 第４実施形態における増幅前の信号光及び励起光の波長、位相、及び時間の波形の様子を示す模式的な図である。 本開示の第５実施形態に係るレーザ増幅装置の構成を示す模式的な図である。 本開示の第６実施形態に係るレーザ増幅装置の構成を示す模式的な図である。 第６実施形態における伸長前の信号光の波長、位相、及び時間の波形の様子を示す模式的な図である。 第６実施形態における伸長後の信号光の波長、位相、及び時間の波形の様子を示す模式的な図である。 第６実施形態における増幅後の信号光の波長、位相、及び時間の波形の様子を示す模式的な図である。 第６実施形態における位相調整後の信号光の波長、位相、及び時間の波形の様子を示す模式的な図である。 第６実施形態における圧縮後の信号光の波長、位相、及び時間の波形の様子を示す模式的な図である。 第６実施形態において集光部で得られる超短パルス光の時間波形を示す模式的な図である。 本開示の第７実施形態に係るレーザ増幅装置の構成を示す模式的な図である。
　以下、図面を参照しながら、本開示の一側面に係るレーザ増幅装置及びレーザ増幅方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
［本開示のレーザ増幅の原理］
　始めに、本実施形態に係るレーザ増幅装置及びレーザ増幅方法の原理について説明する。本実施形態に係るレーザ増幅装置及びレーザ増幅方法は、非線形光学結晶に信号光及び励起光を入射することによって信号光の増幅を行う光パラメトリック増幅法を適用して構成されたものである。本実施形態に係るレーザ増幅装置及びレーザ増幅方法は、光パラメトリック増幅法によって信号光の強度を増幅した増幅光にモードロック法を適用し、例えばフェムト秒オーダの高出力の超短パルス光を生成可能となっている。
　一般的なレーザ増幅法では、使用する媒質によって増幅されるレーザ光の波長が決まる。これに対し、光パラメトリック増幅法では、非線形光学結晶における結晶のカット角度、或いは非線形光学結晶に入射する信号光及び励起光の角度を調整することで、増幅されるレーザ光の波長を選択することができる。
　図１は、光パラメトリック増幅法に用いられる非線形光学結晶と入射ビームの光軸との関係を示す模式的な図である。同図に示すように、非線形光学結晶１０１は、ある結晶軸方向（ここではｃ軸）に対して位相整合角を満たす角度θ１の方向に信号光１０２を伝搬させ、且つ信号光１０２の伝搬方向に対して位相整合角を満たす角度θ２の方向に励起光１０３を伝搬させる。これにより、当該信号光１０２の光パラメトリック増幅が可能となっている。例えば結晶のカット角度が少しずつ異なる非線形光学結晶１０１を複数用意した場合、信号光１０２の強度を増幅してなる増幅光の波長帯域（増幅帯域）を複数の非線形光学結晶１０１のそれぞれで異ならせることができる。
　図２は、光パラメトリック増幅法による増幅光の設計例を示す図である。同図では、横軸を結晶のカット角度（°）、縦軸を波長（ｎｍ）としている。図中に示す曲線Ｋは、結晶のカット角度（図１のθ１に相当する角度）と平行に入射した信号光に対し、所定の角度ずれ（図１のθ２に相当する角度）で励起光を入射させた場合の増幅可能な波長を示している。図２の例では、信号光と励起光との間の角度ずれを２．６°とし、励起光の波長を５２７ｎｍとした。図２の例では、カット角度が互いに異なる５つの非線形光学結晶１０１Ａ～１０１Ｅを用意し、これらの非線形光学結晶１０１Ａ～１０１Ｅを互いに接合することで、信号光の増幅帯域の拡張性を検証した。非線形光学結晶１０１Ａ～１０１Ｅのカット角度は、それぞれ、２１．７０°、２１．６６°、２１．６２°、２１．５８°、２１．５４°とした。
　図２の結果から、カット角度が互いに異なる５つの非線形光学結晶１０１Ａ～１０１Ｅを用いて光パラメトリック増幅を行った場合、信号光１０２の増幅帯域は、およそ２８０ｎｍと見積もられる。例えば非線形光学結晶１０１Ａのみを用いて光パラメトリック増幅を行った場合、信号光１０２の増幅帯域は、およそ１００ｎｍと見積もられる。カット角度が少しずつ異なる非線形光学結晶１０１を複数用意した場合、それぞれの非線形光学結晶１０１での信号光１０２の増幅帯域が合成され、信号光１０２の増幅帯域を拡張できることが分かる。
　モードロック法では、より広い波長域のパルス光の位相を揃えることで、時間幅の更なる狭小化が可能となる。例えば非線形光学結晶１０１Ａのみを用いて光パラメトリック増幅を行った信号光１０２では、モードロックによって得られた超短パルス光の時間幅がおよそ１０ｆｓであった。これに対し、非線形光学結晶１０１Ａ～１０１Ｅを用いて光パラメトリック増幅を行った信号光１０２では、モードロックによって得られた超短パルス光の時間幅がおよそ４ｆｓにまで狭小化された。以下、このような原理に基づいて構成されたレーザ増幅装置及びレーザ増幅方法の各実施形態について詳述する。
［第１実施形態］
　図３は、本開示の第１実施形態に係るレーザ増幅装置の構成を示す模式的な図である。同図に示すように、第１実施形態に係るレーザ増幅装置１Ａは、増幅部２と、位相調整部３と、集光部４とを備えて構成されている。増幅部２は、信号光Ｓの強度を増幅して増幅光Ａを出力する増幅ステップを実行する部分である。増幅部２は、信号光Ｓを出力する信号光源１１と、励起光Ｅを出力する励起光源１２と、信号光Ｓ及び励起光Ｅの入射によって増幅光Ａを出射する非線形光学結晶１３とを有している。
　信号光Ｓは、レーザ増幅装置１で増幅される対象の光である。信号光Ｓは、ここではパルス光である。信号光源１１としては、例えばチタンサファイアレーザ、Ｅｒ添加レーザ、Ｎｄ添加レーザ、Ｙｂ添加レーザ、Ｔｍ添加レーザ、Ｃｒ添加レーザ、Ｆｅ添加レーザ、スーパーコンティニウム光などを用いることができる。本実施形態では、信号光源１１から非線形光学結晶１３に対し、複数本（４本）の信号光Ｓ１～Ｓ４が入射するようになっている。信号光Ｓ１～Ｓ４のそれぞれの光軸は、これらの光軸が延びる方向に直交する方向に一列に並んでいる。非線形光学結晶１３に対する信号光Ｓ１～Ｓ４の入射角度は、互いに等しくなっている。信号光Ｓ１～Ｓ４は、複数の信号光源１１からそれぞれ出力される態様であってもよい。信号光Ｓ１～Ｓ４は、単体の信号光源１１からの信号光Ｓを分離光学系等によって分離したものであってもよい。
　励起光Ｅは、信号光Ｓの増幅に用いられる光である。励起光Ｅは、ここでは信号光Ｓと同様にパルス光である。励起光源１２としては、例えばチタンサファイアレーザ、Ｅｒ添加レーザ、Ｎｄ添加レーザ、Ｙｂ添加レーザ、Ｔｍ添加レーザ、Ｃｒ添加レーザ、Ｆｅ添加レーザなどを用いることができる。本実施形態では、励起光源１２から非線形光学結晶１３に対し、複数本（４本）の励起光Ｅ１～Ｅ４が入射するようになっている。励起光Ｅ１～Ｅ４のそれぞれの光軸は、これらの光軸が延びる方向に直交する方向に一列に並んでいる。非線形光学結晶１３に対する励起光Ｅ１～Ｅ４の入射角度は、互いに等しくなっている。励起光Ｅ１～Ｅ４は、複数の励起光源１２からそれぞれ出力される態様であってもよい。励起光Ｅ１～Ｅ４は、単体の励起光源１２からの励起光Ｅを分離光学系等によって分離したものであってもよい。
　非線形光学結晶１３は、非線形光学効果により、信号光Ｓ及び励起光Ｅの入射によって増幅光Ａを出射する部分である。非線形光学結晶１３としては、例えばＢＢＯ（β－ＢａＢ２Ｏ４）結晶、ＬＢＯ（ＬｉＢ３Ｏ５）結晶、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）結晶，ＹＣＯＢ（ＹＣａ４Ｏ（ＢＯ３）３）結晶，ＧａＳｅ結晶、ＡｇＧａＳ２結晶、ＡｇＧａＳｅ２結晶、ＬｉＩｎＳ２結晶、ＬｉＩｎＳｅ２結晶などを用いることができる。非線形光学結晶１３は、空間的に異なる複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄを有している。「空間的に異なる」とは、信号光Ｓのビーム断面の面内方向に互いに重ならないように配置されることを意味している。本実施形態では、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄは、信号光Ｓ１～Ｓ４の光軸が並ぶ方向に沿って僅かな間隔をもって一列に並んでいる。複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄは、接着材等によって一体的に結合されていてもよく、接着剤等を介さずに単に接触した状態で配列されていてもよい。
　上述した信号光源１１、励起光源１２、及び非線形光学結晶１３は、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれに対し、信号光Ｓ及び励起光Ｅが同時に入射し、且つ、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄの結晶軸と信号光Ｓの入射角度及び複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄの結晶軸と励起光Ｅの入射角度の少なくとも一方が異なるように配置されている。
　本実施形態では、信号光Ｓ及び励起光Ｅは、互いに異なる方向から非線形光学結晶１３に入射している。非線形光学結晶１３に対する信号光Ｓ１～Ｓ４と励起光Ｅ１～Ｅ４との間の入射角度の差（図１のθ２に相当する角度）は、例えば２．６°となっている。本実施形態では、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれの結晶軸方向が互いに異なっている。すなわち、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれでは、結晶のカット角度が互いに異なっている。ここでは、結晶部分１３Ａ～１３Ｄのカット角度（図１のθ１に相当する角度）は、それぞれ２１．６５°、２１．６３°、２１．６１°、２１．５９°、２１．５７°となっている。
　複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれには、信号光Ｓ１～Ｓ４のそれぞれ及び励起光Ｅ１～Ｅ４のそれぞれが同時に入射する。具体的には、結晶部分１３Ａには、信号光Ｓ１及び励起光Ｅ１が同時に入射し、結晶部分１３Ｂには、信号光Ｓ２及び励起光Ｅ２が同時に入射する。結晶部分１３Ｃには、信号光Ｓ３及び励起光Ｅ３が同時に入射する。結晶部分１３Ｄには、信号光Ｓ４及び励起光Ｅ４が同時に入射する。
　複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれからは、信号光Ｓ１～Ｓ４のそれぞれの強度が増幅されてなる増幅光Ａ１～Ａ４が出射する。増幅光Ａ１～Ａ４のそれぞれの出射光軸は、増幅前の信号光Ｓ１～Ｓ４の光軸と一致する。本実施形態では、上述したように、非線形光学結晶１３が空間的に異なる複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄを有している。このため、増幅光Ａ１～Ａ４のそれぞれは、互いに空間的に分離された状態で複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれから出射する。
　なお、図示しないが、信号光Ｓ１～Ｓ４が非線形光学結晶１３を通過する際には、増幅光Ａ１～Ａ４に加えて、増幅前の信号光Ｓ１～Ｓ４とは異なる波長のアイドラー光が信号光Ｓ１～Ｓ４のそれぞれに対応して生じ得る。これらのアイドラー光の光軸は、増幅前の信号光Ｓ１～Ｓ４の光軸からそれぞれずれたものとなるが、これらのアイドラー光を増幅光として利用することも可能である。
　位相調整部３は、信号光Ｓ又は増幅光Ａに含まれる各波長成分の位相を調整する位相調整ステップを実行する部分である。位相調整部３は、例えばＬＣＯＳ－ＳＬＭなどの空間光位相変調器、デフォーマブルミラー、フェムト秒パルス整形器、音響光学プログラマブル分散フィルタなどによって構成することができる。本実施形態では、位相調整部３は、非線形光学結晶１３と集光部４との間の増幅光Ａ１～Ａ４の光軸上にそれぞれ配置されている。位相調整部３は、増幅光Ａ１～Ａ４に含まれる各波長成分の位相が互いに揃うように位相の調整を行う。本実施形態では、集光部４に入射する際に増幅光Ａ１～Ａ４が後述する真空チャンバ１４の光学窓１５を通過する。このため、位相調整部３では、光学窓１５の通過による位相ずれを考慮した上で、増幅光Ａ１～Ａ４に含まれる各波長成分の位相の調整が行われることが好ましい。
　位相調整部３は、非線形光学結晶１３よりも後段の集光部４に増幅光Ａが入射する際に、増幅光Ａに含まれる各波長成分の位相が揃うように作用するものであればよく、位相調整部３を経た段階で増幅光Ａに含まれる各波長成分の位相が揃ってなくてもよい。したがって、位相調整部３は、非線形光学結晶１３よりも前段側に配置されていてもよい。例えば信号光源１１と非線形光学結晶１３との間の信号光Ｓ１～Ｓ４の光軸上にそれぞれ位相調整部３が配置されていてもよい。この場合、非線形光学結晶１３の通過による位相ずれ及び光学窓１５の通過による位相ずれの双方を考慮した上で、信号光Ｓ１～Ｓ４に含まれる各波長成分の位相の調整を行えばよい。
　集光部４は、位相調整部３によって各波長成分の位相が調整された増幅光Ａを集光する集光ステップを実行する部分である。集光部４は、例えば真空チャンバ１４内に配置された集光レンズ１６によって構成されている。集光レンズ１６は、例えば凸レンズである。集光部４は、凹型ミラーによって構成されていてもよい。位相調整部３を経て各波長成分の位相が揃えられた増幅光Ａ１～Ａ４は、増幅光Ａ１～Ａ４のそれぞれの光軸に対応して配置された光学窓１５を介して真空チャンバ１４内に入射し、集光レンズ１６によって１点に集光される。各波長成分の位相が揃えられた増幅光Ａ１～Ａ４が１点に集光することで、増幅光Ａ１～Ａ４の各波長成分が合わさって広帯域光となり、集光点において高出力の超短パルス光Ｐが生成される。
　図４～図６は、レーザ増幅装置１Ａの各位置における信号光Ｓ、励起光Ｅ、増幅光Ａの波長、位相、及び時間の波形の様子を模式的に示す図である。図４は、信号光源１１から出射した信号光Ｓ及び励起光源１２から出射した励起光Ｅ（すなわち増幅前の信号光Ｓ及び励起光）の波長、位相、及び時間の波形の様子を模式的に示す図である。
　同図に示すように、信号光Ｓ１～Ｓ４は、例えば７００ｎｍ～１１００ｎｍの範囲で互いに異なる中心波長を有している。信号光Ｓ１～Ｓ４の位相は、各波長帯域内で概ね一定となっており、互いに揃った状態となっている。信号光Ｓ１～Ｓ４の時間幅は、例えば１０ｆｓ～１ｐｓの範囲で、自身の波長幅に概ね反比例した幅となっている。本実施形態では、励起光Ｅ１～Ｅ４は、互いに同じ中心波長を有している。励起光Ｅ１～Ｅ４の中心波長は、互いに異なっていてもよい。励起光Ｅ１～Ｅ４の位相は、各波長帯域内で概ね一定となっており、互いに揃った状態となっている。励起光Ｅ１～Ｅ４の時間幅は、例えば１ｐｓ～１ｎｓの範囲である。
　図４の例では、信号光Ｓ１は、中心波長８００ｎｍ、波長幅１００ｎｍ、時間幅（半値全幅）１０ｆｓとなっている。信号光Ｓ２は、中心波長８８５ｎｍ、波長幅７０ｎｍ、時間幅（半値全幅）１６ｆｓとなっている。信号光Ｓ３は、中心波長９４５ｎｍ、波長幅５０ｎｍ、時間幅（半値全幅）２６ｆｓとなっている。信号光Ｓ４は、中心波長９８４ｎｍ、波長幅２８ｎｍ、時間幅（半値全幅）５０ｆｓとなっている。励起光Ｅ１～Ｅ４は、中心波長５２７ｎｍ、波長幅０．１ｎｍ、時間幅（半値全幅）１０ｐｓとなっている。
　信号光Ｓの各波長成分は、増幅部２で増幅される波長帯域よりも広い帯域を有していてもよい。すなわち、信号光Ｓ１～Ｓ４のそれぞれの波長帯域が互いにオーバーラップしていてもよい。この場合、集光部４で集光された後の増幅光Ａの波長帯域が連続し、得られる超短パルス光Ｐの時間波形をガウシアン分布或いはＳｉｎｃ関数分布に近づけることができる。信号光Ｓ１～Ｓ４のそれぞれ波長帯域を互いにオーバーラップさせない場合であっても、互いの波長帯域を近接させることで、ガウシアン分布とは異なる時間波形の超短パルス光を得ることができる。
　図５は、非線形光学結晶１３から出射した増幅光Ａ（すなわち増幅後の信号光Ｓ）の波長、位相、及び時間の波形の様子を模式的に示す図である。同図に示すように、非線形光学結晶１３から出射した増幅光Ａ１～Ａ４では、光パラメトリック増幅により、信号光Ｓ１～Ｓ４に対して強度が増加する。一方、非線形光学結晶１３は、入射する光の波長によって屈折率が異なる性質を有している。このため、増幅光Ａ１～Ａ４の各波長成分の位相は、信号光Ｓ１～Ｓ４の各波長成分に応じて遅延し、互いにずれが生じる。増幅光Ａ１～Ａ４の時間幅は、信号光Ｓ１～Ｓ４の時間幅のままの状態で維持される。時間波形のピーク位置には、波長差に応じたずれが生じる。
　図６は、位相調整後の増幅光Ａの波長、位相、及び時間の波形の様子を模式的に示す図である。同図に示すように、位相調整後の増幅光Ａ１～Ａ４では、位相調整前の強度が維持される一方で、非線形光学結晶１３での増幅の際に生じた各波長成分の位相が互いに揃えられる。各波長成分の位相が揃えられた増幅光Ａ１～Ａ４が集光部４によって集光することで、図７に示すように、時間幅（半値全幅）が数ｆｓ～１００ｆｓ程度の高出力の超短パルス光Ｐが生成される。
　以上説明したように、レーザ増幅装置１Ａでは、非線形光学結晶１３に信号光Ｓ及び励起光Ｅを入射させることにより、信号光Ｓの強度を増幅した増幅光Ａを生成することができる。レーザ増幅装置１Ａでは、非線形光学結晶１３において空間的に異なる複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれに対し、信号光Ｓ及び励起光Ｅが入射し、且つ、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄの結晶軸と信号光Ｓの入射角度及び複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄの結晶軸と励起光Ｅの入射角度の双方が異なっている。このため、非線形光学結晶１３から出射する増幅光Ａ１～Ａ４の各波長成分の位相は互いに異なるが、これらの各波長成分を空間的に分離した状態で非線形光学結晶１３から出射させることができる。したがって、レーザ増幅装置１Ａでは、増幅光Ａ１～Ａ４における各波長成分の空間的な分離が不要となり、例えば回折格子などの光学部品を光学系に配置する必要がなくなるため、超短パルス光Ｐを高出力化するための光学系を簡素化できる。
　レーザ増幅装置１Ａでは、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄは、空間的に分離して配置されている。これにより、増幅光Ａ１～Ａ４における各波長成分をより確実に空間的に分離することができる。接着剤等によって複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄを一体的に結合する場合には、非線形光学結晶１３の小型化が図られる。また、信号光Ｓ及び励起光Ｅの光学系に対する非線形光学結晶１３の位置決めの作業性を高めることができる。
　レーザ増幅装置１Ａでは、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれの結晶軸方向が互いに異なっている。そして、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれに対し、複数本の信号光Ｓ１～Ｓ４のそれぞれが互いに等しい角度で入射すると共に、複数本の励起光Ｅ１～Ｅ４のそれぞれが互いに等しい角度で入射する。このように、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれの結晶軸方向を互いに異ならせることで、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれに入射する信号光Ｓ１～Ｓ４及び励起光Ｅ１～Ｅ４の角度を一律に定めることができる。したがって、信号光Ｓ及び励起光Ｅの角度調整を簡単化できる。また、信号光Ｓを複数本に分けることで、波長幅が広く且つ時間幅が狭い単一本のビームの場合と比較して各ビームの波長幅が適度に狭くなり、各ビームの時間幅が過剰に狭くなることを抑制できる。これにより、信号光Ｓ１～Ｓ４及び励起光Ｅ１～Ｅ４のピーク強度が一定の範囲に収まるため、光学系を構成する素子の損傷を抑制できる。
　レーザ増幅装置１Ａでは、位相調整部３によって各波長成分の位相が調整された増幅光Ａ１～Ａ４を集光する集光部４が設けられている。これにより、増幅部２の後段で各波長成分の空間的な分離を行うことなく、高出力の超短パルス光Ｐを発生させることができる。
［第２実施形態］
　図８は、本開示の第２実施形態に係るレーザ増幅装置の構成を示す模式的な図である。同図に示すように、第２実施形態に係るレーザ増幅装置１Ｂは、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれに対し、信号光Ｓ及び励起光Ｅがいずれも単一本で入射する点で、第１実施形態と相違している。複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれの結晶軸方向は、第１実施形態と同様に、互いに異なっている。
　レーザ増幅装置１Ｂでは、図９に示すように、信号光Ｓは、例えば７００ｎｍ～１１００ｎｍの範囲で２００ｎｍ以上にわたる広い波長帯域を有している。信号光Ｓの位相は、各波長帯域内で概ね一定となっている。信号光Ｓの時間幅は、例えば１０ｆｓ～１ｐｓの範囲で、自身の波長幅に反比例した幅となっている。ここでは、信号光Ｓの時間幅は、例えば４．５ｆｓとなっている。励起光Ｅの波長、位相、及び時間の波形は、第１実施形態の励起光Ｅ１～Ｅ４と同様となっている。
　レーザ増幅装置１Ｂでは、単一本の信号光Ｓを用いているため、非線形光学結晶１３から出射する増幅光Ａも見かけ上は単一のビームとなる。しかしながら、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれの結晶軸方向が互いに異なっているため、実際の増幅光Ａは、空間的に異なる複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれから出射する増幅光Ａ１～Ａ４の集合体と見做すことができる。増幅光Ａ１～Ａ４の各波長成分の位相は互いに異なる（図５参照）が、増幅光Ａ１～Ａ４のそれぞれは、空間的に分離した状態で非線形光学結晶１３から複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれから出射する。
　このようなレーザ増幅装置１Ｂにおいても、第１実施形態と同様に、増幅光Ａ１～Ａ４における各波長成分の空間的な分離が不要となり、例えば回折格子などの光学部品を光学系に配置する必要がなくなるため、超短パルス光Ｐを高出力化するための光学系を簡素化できる。
　レーザ増幅装置１Ｂでは、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれに対し、信号光Ｓ及び励起光Ｅが単一本で入射している。このような構成により、信号光源１１及び励起光源１２を複数用いる必要がなくなり、信号光Ｓ及び励起光Ｅの光学系を簡単化できる。また、信号光Ｓ及び励起光Ｅの光軸の調整も容易となる。単一本の信号光Ｓを用いることで、位相調整部３における位相の調整を精度良く実施できる。信号光Ｓ及び励起光Ｅを複数本とする場合とは異なり、信号光Ｓ同士或いは励起光Ｅ同士の干渉に伴う光学的な特性の変化を防止できる。また、励起光Ｅの利用効率も十分に担保できる。
［第３実施形態］
　図１０は、本開示の第３実施形態に係るレーザ増幅装置の構成を示す模式的な図である。同図に示すように、第３実施形態に係るレーザ増幅装置１Ｃは、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄの結晶軸方向が互いに同一である点で、第１実施形態と相違している。
　レーザ増幅装置１Ｃでは、非線形光学結晶１３は、一の方向を結晶軸方向とする結晶によって構成されている。結晶部分のカット角度（図１のθ１に相当する角度）は、例えば２１．６５°となっている。非線形光学結晶１３は、見かけ上は単体の結晶となっているが、結晶軸方向が互いに同一な複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄの集合体と見做すことができる。レーザ増幅装置１Ｃでは、信号光Ｓ及び励起光Ｅの波長、位相、及び時間の波形は、第１実施形態の信号光Ｓ１～Ｓ４及び励起光Ｅ１～Ｅ４と同様となっている（図４参照）。
　一方、レーザ増幅装置１Ｃでは、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれに対し、複数本の信号光Ｓ１～Ｓ４のそれぞれが互いに等しい角度で入射し、複数本の励起光Ｅ１～Ｅ４のそれぞれが互いに異なる角度で入射する。図１０の例では、複数本の励起光Ｅ１～Ｅ４のそれぞれは、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれに入射する信号光Ｓ１～Ｓ４のそれぞれに対する角度（図１のθ２に相当する角度）が１．９°、２．０°、２．１°、２．５°となっている。これにより、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれの結晶軸方向が互いに同一であっても、信号光Ｓに含まれる各波長成分の増幅が可能となっている。
　このようなレーザ増幅装置１Ｃにおいても、第１実施形態と同様に、増幅光Ａ１～Ａ４における各波長成分の空間的な分離が不要となり、例えば回折格子などの光学部品を光学系に配置する必要がなくなるため、超短パルス光Ｐを高出力化するための光学系を簡素化できる。
　レーザ増幅装置１Ｃでは、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれに対し、複数本の信号光Ｓ１～Ｓ４のそれぞれが互いに等しい角度で入射し、複数本の励起光Ｅ１～Ｅ４のそれぞれが互いに異なる角度で入射する。このように、信号光Ｓを複数本に分けることで、波長幅が広く且つ時間幅が狭い単一本のビームの場合と比較して各ビームの波長幅が適度に狭くなり、各ビームの時間幅が過剰に狭くなることを抑制できる。これにより、信号光Ｓ及び励起光Ｅのピーク強度が一定の範囲に収まるため、光学系を構成する素子の損傷を抑制できる。
　本実施形態では、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれに対し、複数本の信号光Ｓ１～Ｓ４のそれぞれ及び複数本の励起光Ｅ１～Ｅ４のそれぞれの一方が互いに等しい角度で入射し、他方が互いに異なる角度で入射すればよい。したがって、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれに対し、複数本の信号光Ｓ１～Ｓ４のそれぞれが互いに異なる角度で入射し、複数本の励起光Ｅ１～Ｅ４のそれぞれが互いに等しい角度で入射する態様であってもよい。この場合は、非線形光学結晶１３から出射する増幅光Ａ１～Ａ４の光軸を揃える角度調整機構を非線形光学結晶１３と集光部４との間の光路上に配置することが好ましい。
［第４実施形態］
　図１１は、本開示の第４実施形態に係るレーザ増幅装置の構成を示す模式的な図である。同図に示すように、第４実施形態に係るレーザ増幅装置１Ｄは、信号光Ｓが単一本である点で、第３実施形態と相違している。
　レーザ増幅装置１Ｄでは、図１２に示すように、信号光Ｓは、例えば７００ｎｍ～１１００ｎｍの範囲で２００ｎｍ以上にわたる広い波長帯域を有している。信号光Ｓの位相は、各波長帯域内で概ね一定となっている。信号光Ｓの時間幅は、例えば１０ｆｓ～１ｐｓの範囲で、自身の波長幅に反比例した幅となっている。ここでは、信号光Ｓの時間幅は、例えば４．５ｆｓとなっている。励起光Ｅ１～Ｅ４の波長、位相、及び時間の波形は、第１実施形態の励起光Ｅ１～Ｅ４と同様となっている。
　レーザ増幅装置１Ｄでは、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれに対し、単一本の信号光Ｓが入射し、複数本の励起光Ｅ１～Ｅ４のそれぞれが互いに異なる角度で入射する。図１１の例では、複数本の励起光Ｅ１～Ｅ４のそれぞれは、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれに入射する信号光Ｓ１～Ｓ４のそれぞれに対する角度（図１のθ２に相当する角度）が１．９°、２．０°、２．１°、２．５°となっている。これにより、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれの結晶軸方向が互いに同一であっても、信号光Ｓに含まれる各波長成分の増幅が可能となっている。
　レーザ増幅装置１Ｄでは、単一本の信号光Ｓを用いているため、非線形光学結晶１３から出射する増幅光Ａも見かけ上は単一のビームとなる。しかしながら、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれにおいて、信号光Ｓのうち励起光Ｅ１～Ｅ４のそれぞれの入射位置を通過した部分のみが増幅されるため、実際の増幅光Ａは、空間的に異なる複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれから出射する増幅光Ａ１～Ａ４の集合体と見做すことができる。信号光Ｓのうち、増幅部位と非増幅部位との間の強度差は、例えば１０００倍程度となる。増幅光Ａ１～Ａ４の各波長成分の位相は互いに異なるが（図５参照）、増幅光Ａ１～Ａ４のそれぞれは、空間的に分離した状態で非線形光学結晶１３から複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれから出射する。
　このようなレーザ増幅装置１Ｄにおいても、第１実施形態と同様に、増幅光Ａ１～Ａ４における各波長成分の空間的な分離が不要となり、例えば回折格子などの光学部品を光学系に配置する必要がなくなるため、超短パルス光Ｐを高出力化するための光学系を簡素化できる。
　レーザ増幅装置１Ｄでは、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれに対し、単一本の信号光Ｓを用いているので、信号光源１１を複数用いる必要が無くなり、信号光Ｓの光学系を簡単化できる。また、信号光Ｓの光軸の調整も容易となる。単一本の信号光Ｓを用いることで、位相調整部３における位相の調整を精度良く実施できる。信号光Ｓを複数本とする場合とは異なり、信号光Ｓ同士の干渉に伴う光学的な特性の変化を防止できる。また、励起光Ｅの利用効率も十分に担保できる。
［第５実施形態］
　図１３は、本開示の第５実施形態に係るレーザ増幅装置の構成を示す模式的な図である。同図に示すように、第５実施形態に係るレーザ増幅装置１Ｅは、励起光Ｅが単一本である点で、第３実施形態と相違している。
　レーザ増幅装置１Ｅでは、信号光Ｓ１～Ｓ４の波長、位相、及び時間の波形は、第１実施形態の信号光Ｓ１～Ｓ４と同様となっている（図４参照）。励起光Ｅの波長、位相、及び時間の波形は、第２実施形態の励起光Ｅと同様となっている（図９参照）。
　レーザ増幅装置１Ｅでは、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれに対し、複数本の信号光Ｓ１～Ｓ４のそれぞれが互いに異なる角度で入射する。図１３の例では、複数本の信号光Ｓ１～Ｓ４のそれぞれは、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれのカット角度に対する角度（図１のθ１に相当する角度）が０°、０．０４°、０．０７°、０．１°となっている。複数本の信号光Ｓ１～Ｓ４のそれぞれは、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれに入射する励起光Ｅに対する角度（図１のθ２に相当する角度）が２．５°、２．４６°、２．４３°、２．４°となっている。これにより、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれの結晶軸方向が互いに同一であっても、信号光Ｓに含まれる各波長成分の増幅が可能となっている。
　このようなレーザ増幅装置１Ｅにおいても、第１実施形態と同様に、増幅光Ａ１～Ａ４における各波長成分の空間的な分離が不要となり、例えば回折格子などの光学部品を光学系に配置する必要がなくなるため、超短パルス光Ｐを高出力化するための光学系を簡素化できる。レーザ増幅装置１Ｅでは、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれに対し、単一本の励起光Ｅを用いているので、励起光源１２を複数用いる必要が無くなり、励起光Ｅの光学系を簡単化できる。また、励起光Ｅの光軸の調整も容易となる。励起光Ｅを複数本とする場合とは異なり、励起光Ｅ同士の干渉に伴う光学的な特性の変化を防止できる。
　レーザ増幅装置１Ｅでは、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれに対する複数本の信号光Ｓ１～Ｓ４の入射角度が互いに異なるため、非線形光学結晶１３から出射する増幅光Ａ１～Ａ４の光軸が延びる方向も互いに異なることとなる。したがって、レーザ増幅装置１Ｅでは、非線形光学結晶１３から出射する増幅光Ａ１～Ａ４の光軸を揃える角度調整機構１８を非線形光学結晶１３と集光部４との間の光路上に配置することが好ましい。角度調整機構１８は、例えば光学ミラー、電気光学変調器、音響光学変調器などによって構成することができる。
［第６実施形態］
　図１４は、本開示の第６実施形態に係るレーザ増幅装置の構成を示す模式的な図である。同図に示すように、第６実施形態に係るレーザ増幅装置１Ｆは、いわゆるチャープパルス増幅機能を更に有している点で、第１実施形態と相違している。
　より具体的には、レーザ増幅装置１Ｆは、レーザ増幅装置１Ａの構成に加えて、パルス伸長器（伸長部）２１と、パルス圧縮器（圧縮部）２２とを更に備えている。パルス伸長器２１は、信号光Ｓに分散を与えて時間幅を伸長させる伸長ステップを実行する装置である。パルス伸長器２１は、非線形光学結晶１３の前段側に配置されている。パルス圧縮器２２は、増幅光Ａに逆分散を与えて時間幅を圧縮する圧縮ステップを実行する装置である。パルス圧縮器２２は、非線形光学結晶１３の後段側に配置されている。図１４の例では、パルス伸長器２１は、信号光源１１と非線形光学結晶１３との間の信号光Ｓの光路上に配置されている。パルス圧縮器２２は、位相調整部３と真空チャンバ１４との間の増幅光Ａの光路上に配置されている。
　レーザ増幅装置１Ｆでは、図１５に示すように、伸長前の信号光Ｓは、例えば７００ｎｍ～１１００ｎｍの範囲を超える広い波長帯域を有している。信号光Ｓの位相は、各波長帯域内で概ね一定となっている。信号光Ｓの時間幅は、例えば数ｆｓ～１ｐｓの範囲で各波長帯域の広さに反比例した幅となっている。ここでは、信号光Ｓの時間幅は、例えば４．５ｆｓとなっている。励起光Ｅ１～Ｅ４の波長、位相、及び時間の波形は、第１実施形態の励起光Ｅ１～Ｅ４と同様となっている（図４参照）。
　図１６に示すように、伸長後の信号光Ｓは、パルス伸長器２１によって時間幅が伸長されると共に、同じ波長幅を有する複数本の信号光Ｓ１～Ｓ４に分割される。信号光Ｓ１～Ｓ４では、波長幅及び位相が伸長前の状態のままで維持される一方、時間幅が１０ｐｓ～１ｎｓ程度に広げられる。ここでは、信号光Ｓ１～Ｓ４の時間幅は、例えば１ｎｓとなっている。
　図１７に示すように、非線形光学結晶１３から出射した増幅光Ａ１～Ａ４では、光パラメトリック増幅により、信号光Ｓ１～Ｓ４に対して強度が増加すると共に、波長幅及び中心波長が互いに異なる４本のビームとなる。増幅光Ａ１～Ａ４の各波長成分の位相は、波長に応じて遅延する。位相の遅延量は、例えば波長が短いほど大きくなる。このため、増幅光Ａ１～Ａ４の各波長成分の位相には、波長差に応じてずれが生じる。増幅光Ａ１～Ａ４のそれぞれは、波長幅に応じて互いに異なる時間幅を有する。
　図１８に示すように、位相調整後の増幅光Ａ１～Ａ４では、位相調整前の強度が維持される一方で、非線形光学結晶１３での増幅の際に生じた各波長成分の位相が互いに揃えられる。図１９に示すように、圧縮後の増幅光Ａ１～Ａ４では、波長幅及び位相が圧縮前の状態のままで維持される一方、時間幅が１０ｆｓ～１ｐｓ程度に狭められる。圧縮後の増幅光Ａ１～Ａ４のそれぞれも、波長幅に応じて互いに異なる時間幅を有する。各波長成分の位相が揃えられた増幅光Ａ１～Ａ４が集光部４によって集光することで、図２０に示すように、時間幅（半値全幅）が数ｆｓ～１００ｆｓ程度の高出力の超短パルス光Ｐが生成される。チャープパルス増幅を適用したレーザ増幅装置１Ｆでは、レーザ増幅装置１Ａに比べてピーク強度が４桁程度高い超短パルス光Ｐの生成が可能となっている。
　このようなレーザ増幅装置１Ｆにおいても、第１実施形態と同様に、増幅光Ａ１～Ａ４における各波長成分の空間的な分離が不要となり、例えば回折格子などの光学部品を光学系に配置する必要がなくなるため、超短パルス光Ｐを高出力化するための光学系を簡素化できる。レーザ増幅装置１Ｆでは、チャープパルス増幅によって得られた高いエネルギーを有する増幅光Ａ１～Ａ４の時間幅を増幅後に圧縮することで、ピーク強度の高い超短パルス光Ｐを得ることができる。圧縮前の増幅光Ａ１～Ａ４は、比較的広い時間幅を有するため、光学系を構成する素子の損傷を抑制できる。
［第７実施形態］
　図２１は、本開示の第７実施形態に係るレーザ増幅装置の構成を示す模式的な図である。同図に示すように、第７実施形態に係るレーザ増幅装置１Ｇは、複数の結晶部分１３Ａ～１３Ｄのそれぞれに対し、信号光Ｓ及び励起光Ｅが同一の方向から同時に入射する点で、第１実施形態と相違している。
　図２１の例では、励起光源１２から出力した複数本（４本）の励起光Ｅ１～Ｅ４は、まず、信号光源１１から出力した信号光Ｓ１～Ｓ４の光軸と直交する方向に進行する。その後、励起光Ｅ１～Ｅ４は、信号光Ｓ１～Ｓ４のそれぞれの光軸上に配置されたビーム結合部２０によって信号光Ｓ１～Ｓ４と合波され、信号光Ｓ１～Ｓ４と同軸に非線形光学結晶１３に入射する。ビーム結合部２０としては、例えばダイクロイックミラーを用いることができる。
　本実施形態では、信号光Ｓ及び励起光Ｅは、同一の方向から非線形光学結晶１３に入射している。このため、非線形光学結晶１３に対する信号光Ｓ１～Ｓ４と励起光Ｅ１～Ｅ４との間の入射角度の差（図１のθ２に相当する角度）は、０°となっている。結晶部分１３Ａ～１３Ｄのカット角度（図１のθ１に相当する角度）は、それぞれ２２．９８°、２２．９４°、２２．９０°、２２．８６°となっている。
　このようなレーザ増幅装置１Ｇにおいても、第１実施形態と同様に、増幅光Ａ１～Ａ４における各波長成分の空間的な分離が不要となり、例えば回折格子などの光学部品を光学系に配置する必要がなくなるため、超短パルス光Ｐを高出力化するための光学系を簡素化できる。また、信号光Ｓ１～Ｓ４と励起光Ｅ１～Ｅ４とが同軸となる部分が形成されるため、装置の光学系の小型化が図られる。
　１Ａ～１Ｇ…レーザ増幅装置、２…増幅部、３…位相調整部、４…集光部、１１…信号光源、１２…励起光源、１３…非線形光学結晶、１３Ａ～１３Ｄ…結晶部分、２１…パルス伸長器（伸長部）、２２…パルス圧縮器（圧縮部）、Ｓ，Ｓ１～Ｓ４…信号光、Ｅ，Ｅ１～Ｅ４…励起光、Ａ，Ａ１～Ａ４…増幅光。

Claims (24)

  1. 　信号光の強度を増幅して増幅光を出力する増幅部と、
    　前記信号光又は前記増幅光に含まれる各波長成分の位相を調整する位相調整部と、を備え、
    　前記増幅部は、前記信号光を出力する信号光源と、
    　励起光を出力する励起光源と、
    　前記信号光及び前記励起光の入射によって前記増幅光を出射する非線形光学結晶と、を有し、
    　前記非線形光学結晶は、空間的に異なる複数の結晶部分を有し、
    　前記信号光源、前記励起光源、及び前記非線形光学結晶は、前記複数の結晶部分のそれぞれに対し、前記信号光及び前記励起光が同時に入射し、且つ、前記複数の結晶部分の結晶軸と前記信号光の入射角度及び前記複数の結晶部分の結晶軸と前記励起光の入射角度の少なくとも一方が異なるように配置されているレーザ増幅装置。
  2. 　前記複数の結晶部分は、空間的に分離して配置されている請求項１記載のレーザ増幅装置。
  3. 　前記複数の結晶部分は、一体的に結合されている請求項１記載のレーザ増幅装置。
  4. 　前記複数の結晶部分のそれぞれの結晶軸方向が互いに異なっている請求項１～３のいずれか一項記載のレーザ増幅装置。
  5. 　前記複数の結晶部分のそれぞれに対し、前記信号光及び前記励起光が単一本で入射する請求項４記載のレーザ増幅装置。
  6. 　前記複数の結晶部分のそれぞれに対し、複数本の前記信号光のそれぞれが互いに等しい角度で入射すると共に、複数本の前記励起光のそれぞれが互いに等しい角度で入射する請求項４記載のレーザ増幅装置。
  7. 　前記複数の結晶部分の結晶軸方向が互いに同一である請求項１～３のいずれか一項記載のレーザ増幅装置。
  8. 　前記複数の結晶部分のそれぞれに対し、前記信号光が単一本で入射すると共に、複数本の前記励起光のそれぞれが互いに異なる角度で入射する請求項７記載のレーザ増幅装置。
  9. 　前記複数の結晶部分のそれぞれに対し、複数の前記信号光のそれぞれが互いに異なる角度で入射すると共に、前記励起光が単一本で入射する請求項７記載のレーザ増幅装置。
  10. 　前記複数の結晶部分のそれぞれに対し、複数の前記信号光のそれぞれ及び複数の前記励起光のそれぞれの一方が互いに等しい角度で入射し、他方が互いに異なる角度で入射する請求項７記載のレーザ増幅装置。
  11. 　前記位相調整部によって各波長成分の位相が調整された前記増幅光を集光する集光部を更に備える請求項１～１０のいずれか一項記載のレーザ増幅装置。
  12. 　前記非線形光学結晶の前段において前記信号光に分散を与えて時間幅を伸長させる伸長部と、
    　前記非線形光学結晶の後段において前記増幅光に逆分散を与えて時間幅を圧縮する圧縮部と、を更に備える請求項１～１１のいずれか一項記載のレーザ増幅装置。
  13. 　信号光及び励起光を非線形光学結晶に入射することにより、信号光の強度を増幅して増幅光を出力する増幅ステップと、
    　前記信号光又は前記増幅光に含まれる各波長成分の位相を調整する位相調整ステップと、を備え、
    　前記増幅ステップでは、前記非線形光学結晶において空間的に異なる複数の結晶部分のそれぞれに対し、前記複数の結晶部分の結晶軸と前記信号光の入射角度及び前記複数の結晶部分の結晶軸と前記励起光の入射角度の少なくとも一方を異ならせた状態で、前記信号光及び前記励起光を同時に入射するレーザ増幅方法。
  14. 　前記増幅ステップでは、前記複数の結晶部分を空間的に分離して配置する請求項１３記載のレーザ増幅方法。
  15. 　前記増幅ステップでは、前記複数の結晶部分を一体的に結合して配置する請求項１３記載のレーザ増幅方法。
  16. 　前記増幅ステップでは、前記複数の結晶部分のそれぞれの結晶軸方向を互いに異ならせる請求項１３～１５のいずれか一項記載のレーザ増幅方法。
  17. 　前記増幅ステップでは、前記複数の結晶部分のそれぞれに対し、前記信号光及び前記励起光を単一本で入射させる請求項１６記載のレーザ増幅方法。
  18. 　前記増幅ステップでは、前記複数の結晶部分のそれぞれに対し、複数本の前記信号光のそれぞれを互いに等しい角度で入射させると共に、複数本の前記励起光のそれぞれを互いに等しい角度で入射させる請求項１６記載のレーザ増幅方法。
  19. 　前記増幅ステップでは、前記複数の結晶部分の結晶軸方向を互いに同一とする請求項１３～１５のいずれか一項記載のレーザ増幅方法。
  20. 　前記増幅ステップでは、前記複数の結晶部分のそれぞれに対し、前記信号光を単一本で入射させると共に、複数本の前記励起光のそれぞれを互いに異なる角度で入射させる請求項１９記載のレーザ増幅方法。
  21. 　前記増幅ステップでは、前記複数の結晶部分のそれぞれに対し、複数の前記信号光のそれぞれを互いに異なる角度で入射させると共に、前記励起光を単一本で入射させる請求項１９記載のレーザ増幅方法。
  22. 　前記増幅ステップでは、前記複数の結晶部分のそれぞれに対し、複数の前記信号光のそれぞれ及び複数の前記励起光のそれぞれの一方を互いに等しい角度で入射させ、他方を互いに異なる角度で入射させる請求項１９記載のレーザ増幅方法。
  23. 　前記位相調整ステップによって各波長成分の位相が調整された前記増幅光を集光する集光ステップを更に備える請求項１３～２２のいずれか一項記載のレーザ増幅方法。
  24. 　前記増幅ステップの前工程として前記信号光に分散を与えて時間幅を伸長させる伸長ステップと、
    　前記増幅ステップの後工程として前記増幅光に逆分散を与えて時間幅を圧縮する圧縮ステップと、を更に備える請求項１３～２３のいずれか一項記載のレーザ増幅方法。
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