(57)【要約】  レーザー光束を主光束Pと副光束Sに分割し、その後、該主光束Pと該副光束Sを交差させるビーム光学系３３、３４と、前記分割前のレーザー光束又は分割後の両レーザー光束を直線偏光に変換する偏光器３６、３７と、主光束P又は副光束Sのいずれか又は双方の偏光方向を変化させる偏光方向変更素子３８と、主光束Pと副光束Sが交差する箇所に設けられた、光カー効果を有する材料から成る光ゲート素子３５と、光ゲート素子３５を通過した主光束Pのうち、所定の方向の偏光のみを取り出す偏光フィルタ３９と、によりレーザー光束制御装置を構成する。
2012033021.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
a) 直線偏光である入射レーザー光束を主光束と副光束に分割し、その後、該主光束と該副光束を交差させるビーム光学系と、
b) 前記主光束又は前記副光束のいずれか又は双方の偏光方向を変化させる偏光方向変更素子と、
c) 前記主光束と前記副光束が交差する箇所に設けられた、光カー効果を有する材料から成る光ゲート素子と、
d) 前記光ゲート素子を通過した主光束のうち、所定の方向の偏光のみを取り出す偏光フィルタと
を備えることを特徴とするレーザー光束制御装置。
【請求項２】
a) 入射レーザー光束を直線偏光に変換する入射光変換装置と、
b) 直線偏光に変換された入射レーザー光束を主光束と副光束に分割し、その後、該主光束と該副光束を交差させるビーム光学系と、
c) 前記主光束又は前記副光束のいずれか又は双方の偏光方向を変化させる偏光方向変更素子と、
d) 前記主光束と前記副光束が交差する箇所に設けられた、光カー効果を有する材料から成る光ゲート素子と、
e) 前記光ゲート素子を通過した主光束のうち、所定の方向の偏光のみを取り出す偏光フィルタと
を備えることを特徴とするレーザー光束制御装置。
【請求項３】
a) 入射レーザー光束を主光束と副光束に分割し、その後、該主光束と該副光束を交差させるビーム光学系と、
b) 前記主光束及び前記副光束を同一方向の直線偏光に変換する直線偏光装置と、
c) 前記主光束又は前記副光束のいずれか又は双方の偏光方向を変化させる偏光方向変更素子と、
d) 前記主光束と前記副光束が交差する箇所に設けられた、光カー効果を有する材料から成る光ゲート素子と、
e) 前記光ゲート素子を通過した主光束のうち、所定の方向の偏光のみを取り出す偏光フィルタと
を備えることを特徴とするレーザー光束制御装置。
【請求項４】
a) 入射レーザー光束を主光束と副光束に分割し、その後、該主光束と該副光束を交差させるビーム光学系と、
b) 前記主光束及び前記副光束をそれぞれ直線偏光に変換するとともに、両光束の偏光方向の間に所定の差を設ける偏光方向複合変更素子と、
c) 前記主光束と前記副光束が交差する箇所に設けられた、光カー効果を有する材料から成る光ゲート素子と、
d) 前記光ゲート素子を通過した主光束のうち、所定の方向の偏光のみを取り出す偏光フィルタと
を備えることを特徴とするレーザー光束制御装置。
【請求項５】
前記ビーム光学系において、入射レーザー光束を主光束と副光束に分割してから該主光束と該副光束を交差させるまでの間の両光束の光路長が等しいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザー光束制御装置。
【請求項６】
前記所定の方向が、前記光ゲート素子を通過する前の主光束の偏光の方向と同じ方向であることを特徴とする請求項１〜３及び５のうちのいずれかに記載のレーザー光束制御装置。
【請求項７】
前記偏光方向変更素子が、前記主光束と前記副光束の偏光方向が互いに45°異なるようにするものであることを特徴とする請求項１〜３、５及び６のうちのいずれかに記載のレーザー光束制御装置。
【請求項８】
前記ビーム光学系において、入射レーザー光束を主光束と副光束に分割してから該主光束と該副光束を交差させるまでの間の両光束の光路長が等しいことを特徴とする請求項４に記載のレーザー光束制御装置。
【請求項９】
前記所定の方向が、前記光ゲート素子を通過する前の主光束の偏光の方向と同じ方向であることを特徴とする請求項４又は８に記載のレーザー光束制御装置。
【請求項１０】
前記偏光方向複合変更素子が、前記主光束と前記副光束の偏光方向が互いに45°異なるようにするものであることを特徴とする請求項４、８及び９のうちのいずれかに記載のレーザー光束制御装置。
【請求項１１】
前記ビーム光学系が、前記主光束と前記副光束とを互いに直交する方向から前記光ゲート素子に入射させるものであることを特徴とする請求項１〜５及び８のうちのいずれかに記載のレーザー光束制御装置。
【請求項１２】
前記ビーム光学系が、前記レーザー光束を主光束と2つの副光束に分割し、その後、該主光束と該2つの副光束を1点で交差させるものであり、
f) 前記光ゲート素子に入射する前記主光束の入射角度を所定の値に設定する主光束入射角設定手段と
を備えることを特徴とする請求項１〜５及び８のうちのいずれかにレーザー光束制御装置。
【請求項１３】
前記光ゲート素子が二硫化炭素、チタン酸ストロンチウム、重フリントガラス、ビスマス系ガラスのうちのいずれかであることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載のレーザー光束制御装置。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれかに記載のレーザー光束制御装置を利用してレーザー光束のエネルギーを安定化させることを特徴とするレーザー光束エネルギー安定化装置。
【請求項１５】
a) 直線偏光である入射レーザー光束を主光束と副光束に分割し、
b) 前記主光束又は前記副光束のいずれか又は双方の偏光方向を変化させ、
c) 該主光束と該副光束を、光カー効果を有する材料から成る光ゲート素子の内部で交差させ、
d) 前記光ゲート素子を通過した主光束のうち、所定の方向の偏光のみを取り出す
ことを特徴とするレーザー光束制御方法。
【請求項１６】
a) 入射レーザー光束を直線偏光に変換し、
b) 直線偏光に変換された入射レーザー光束を主光束と副光束に分割し、
c) 前記主光束又は前記副光束のいずれか又は双方の偏光方向を変化させ、
d) 該主光束と該副光束を、光カー効果を有する材料から成る光ゲート素子の内部で交差させ、
e) 前記光ゲート素子を通過した主光束のうち、所定の方向の偏光のみを取り出す
ことを特徴とするレーザー光束制御方法。
【請求項１７】
a) 入射レーザー光束を主光束と副光束に分割し、
b) 前記主光束及び前記副光束を同一方向の直線偏光に変換し、
c) 前記主光束又は前記副光束のいずれか又は双方の偏光方向を変化させ、
d) 該主光束と該副光束を、光カー効果を有する材料から成る光ゲート素子の内部で交差させ、
e) 前記光ゲート素子を通過した主光束のうち、所定の方向の偏光のみを取り出す
ことを特徴とするレーザー光束制御方法。
【請求項１８】
a) 入射レーザー光束を主光束と副光束に分割し、
b) 前記主光束及び前記副光束をそれぞれ直線偏光に変換するとともに、両光束の偏光方向の間に所定の差を設け、
c) 前記主光束と前記副光束を、光カー効果を有する材料から成る光ゲート素子の内部で交差させ、
d) 前記光ゲート素子を通過した主光束のうち、所定の方向の偏光のみを取り出す
ことを特徴とするレーザー光束制御方法。
【請求項１９】
入射レーザー光束を主光束と副光束に分割してから該主光束と該副光束を交差させるまでの間の両光束の光路長を等しくすることを特徴とする請求項１５〜１８のいずれかに記載のレーザー光束制御方法。
【請求項２０】
前記所定の方向が、前記光ゲート素子を通過する前の主光束の偏光の方向と同じ方向であることを特徴とする請求項１５〜１９のいずれかに記載のレーザー光束制御方法。
【請求項２１】
前記主光束と前記副光束の偏光方向が互いに45°異なるようにすることを特徴とする請求項１５〜２０のいずれかに記載のレーザー光束制御方法。
【請求項２２】
請求項１５〜２１のいずれかに記載のレーザー光束制御方法を利用してレーザー光束のエネルギーを安定化させることを特徴とするレーザー光束エネルギー安定化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源から出力されたレーザー光束を制御する装置及び方法、特に、レーザー光束のエネルギーを安定化させる装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超短パルスレーザーは、それに対応した超短時間現象の観察などに用いられる。物質内での分子や原子レベルでのより短時間の現象を測定するためには、1つのパルスの継続時間がフェムト秒オーダーの超短パルスレーザーが求められる。超短パルスレーザーをそのような測定に用いるためには、その継続時間が短いことの他、生成されるパルスレーザーの1パルス当たりのエネルギーが安定していることが必要である。また、最近では、超短パルスレーザーを物質の加工に用いることも行われている。この場合も、加工の均一性を確保するために、パルス毎のエネルギーが安定していることが求められる。【０００３】
しかし、現状では、高パルスエネルギー（例えば、1mJ/pulse）の超短パルスレーザー列を安定したエネルギーで生成することは難しい。そこで、生成されたレーザーパルスのエネルギーを安定化する技術が種々考えられている。そのような装置の一つが、特許文献１に記載されている。この装置は、光路上に置いたミラーによりレーザー光を切り出してモニタリングし、光路上に設けたパワーレギュレータにフィードバックをかけることで出力の安定化を図るものである。【０００４】
また、非特許文献１には、レーザー光の光路にポッケルスセルを配し、そのポッケルスセルの透過率を、前記レーザー光から取り出されたモニターレーザー光で制御される光導電性スイッチで調節することにより、レーザー光の強度を安定化させる装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2006-303235号公報
【特許文献２】米国特許5,828,484号公報
【特許文献３】特開2001-356095号公報
【特許文献４】特開2004-85930号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】ファストライト(FASTLITE)社（フランス）,スタブラー(STABBLER)[online],[平成22年9月7日検索],インターネット<URL:http://www.fastlite.com/en/pag18-STABBLER.html>
【非特許文献２】Shigeki Matsuo and Tahei Tahara: “Phase-stabilized Optical Heterodyne Detection of Impulsive Stimulated Raman Scattering”, Chemical Physics Letters, Vol. 264, No. 6, pp. 636-642, 1997
【非特許文献３】Naoki Sugimoto: “Photonics Glasses”, Res. Reports Asahi Glass Co., Ltd., Vol. 57, pp. 75-81, 2007
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の装置は、レーザー光強度の長期的安定性（例えば、1時間後とか1か月後）を高めるものであり、一つ一つのパルスのエネルギーのばらつきを解消するものではない。超短パルスレーザーを用いた高精度の測定や加工において必要とされるのは、そのような一つ一つのパルスのエネルギーの安定化である。また、特許文献１に記載の装置はパワー制御部（パワーレギュレータ）が大がかりであり、装置が複雑であるとともに、コストも高い。非特許文献１に記載の装置では、途中に電気的制御が介在するため、光学系と電気系の調整が難しく、装置が大きくなる上、光学−電気変換に伴う時間遅れから、対応可能なパルスレートが5kHzまででしかないという問題がある。【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、電気的素子を介在させることなく、純粋に光学的な手段のみでレーザー光の強度を安定化させることのできる装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために成された本発明に係るレーザー光束制御装置の第１の態様は、
a) 直線偏光である入射レーザー光束を主光束と副光束に分割し、その後、該主光束と該副光束を交差させるビーム光学系と、
b) 前記主光束又は前記副光束のいずれか又は双方の偏光方向を変化させる偏光方向変更素子と、
c) 前記主光束と前記副光束が交差する箇所に設けられた、光カー効果を有する材料から成る光ゲート素子と、
d) 前記光ゲート素子を通過した主光束のうち、所定の方向の偏光のみを取り出す偏光フィルタと
を備えることを特徴とする。【００１０】
上記課題を解決するために成された本発明に係るレーザー光束制御装置の第２の態様は、
a) 入射レーザー光束を直線偏光に変換する入射光変換装置と、
b) 直線偏光に変換された入射レーザー光束を主光束と副光束に分割し、その後、該主光束と該副光束を交差させるビーム光学系と、
c) 前記主光束又は前記副光束のいずれか又は双方の偏光方向を変化させる偏光方向変更素子と、
d) 前記主光束と前記副光束が交差する箇所に設けられた、光カー効果を有する材料から成る光ゲート素子と、
e) 前記光ゲート素子を通過した主光束のうち、所定の方向の偏光のみを取り出す偏光フィルタと
を備えることを特徴とする。【００１１】
上記課題を解決するために成された本発明に係るレーザー光束制御装置の第３の態様は、
a) 入射レーザー光束を主光束と副光束に分割し、その後、該主光束と該副光束を交差させるビーム光学系と、
b) 前記主光束及び前記副光束を同一方向の直線偏光に変換する直線偏光装置と、
c) 前記主光束又は前記副光束のいずれか又は双方の偏光方向を変化させる偏光方向変更素子と、
d) 前記主光束と前記副光束が交差する箇所に設けられた、光カー効果を有する材料から成る光ゲート素子と、
e) 前記光ゲート素子を通過した主光束のうち、所定の方向の偏光のみを取り出す偏光フィルタと
を備えることを特徴とする。【００１２】
入射レーザー光束が直線偏光である場合には、第１の態様のレーザー光束制御装置を用いることができる。また、入射レーザー光束の偏光方向を特定しない場合には、第２の態様又は第３の態様のレーザー光束制御装置を用いることができる。第２の態様では入射するレーザー光束を直線偏光に変換した後にレーザー光束を主光束と副光束に分割し、第３の態様では主光束と副光束に分割した後に両光束を同一方向の直線偏光に変換する。【００１３】
第３の態様のように主光束と副光束に分割した後に両光束を直線偏光に変換する場合には、直線偏光装置と偏光方向変更素子をそれぞれ備える代わりに、主光束及び副光束をそれぞれ直線偏光に変換するとともに、両光束の偏光方向の間に所定の差を設ける偏光方向複合変更素子を備えるようにしてもよい。このようなレーザー光束制御装置を第４の態様とすることができる。このように、偏光方向複合変更素子を用いて予め両光束の偏光方向に所定の差を設けておけば、前記偏光方向変更素子は不要となる。【００１４】
本発明に係るレーザー光束制御装置の動作原理は次の通りである。なお、理解の便のために図１（第２の態様の一例）を用いて説明するが、本発明に係るレーザー光束制御装置の構成はこのような具体的配置に限られるものではない。【００１５】
光源１１で生成されたレーザー光束は、まずビームスプリッター１２により主光束Pと副光束Sに分割され、更に反射鏡１３等により両者P, Sは交差するように設定される。これらビームスプリッター１２や反射鏡１３等がビーム光学系を構成する。主光束Pと副光束Sの分割比（強度比）は必ずしも主光束P＞副光束Sに限られず、両者が等しくてもよいし、逆（主光束P＜副光束S）であってもよい。この両光束P, Sが交差する箇所に光ゲート素子１４が配置される。【００１６】
入射レーザー光束は予め偏光子１５により直線偏光に変換され、主光束Pと副光束Sに分割される（従って、分割された主光束P及び副光束Sは共に同じ方向の直線偏光である）が、この変換は前記のとおり分割された後であってもよいし、入射する光束が直線偏光であればこのような変換装置は不要である。こうして共に直線偏光に変換された後、偏光方向変更素子１６により、主光束P、副光束Sのいずれか一方又は両者の偏光方向を変化させ、両者P, Sの偏光方向が所定角度だけ異なるようにする。なお、「偏光方向」は、一般的には光の電場の振動方向を指す（本明細書でも、その意味で用いる）が、本発明においては偏光方向変更素子１６が主光束Pと副光束Sの相対的な関係を変化させればよいのであって、本発明の作用・効果はその定義には左右されない。【００１７】
光ゲート素子１４は光カー効果を有する材料から成るため、副光束Sにより、その電場成分の方向（偏光方向）の屈折率が副光束Sの電場強度の二乗に比例して変化する。主光束Pは、光ゲート素子１４が何ら変化しない場合、或いは等方的な屈折率変化を生じる場合は、その偏光方向を変えることなく光ゲート素子１４を通過する（図２(a)）。しかし、副光束Sにより光ゲート素子１４の屈折率が副光束Sの偏光方向においてのみ変化した場合、主光束Pの偏光方向と副光束Sの偏光方向が異なるため、主光束Pは楕円偏光となる（図２(b)）。【００１８】
光ゲート素子１４を通過して直線偏光から楕円偏光となった主光束Pのx-y面内の各方向の成分の強度は、副光束Sによる光ゲート素子１４の変調度合いに応じる。すなわち、副光束Sの強度が大きいほど光ゲート素子１４の偏光方向の屈折率は大きく変化し、これにより、主光束Pの元の（直線偏光の）方向の成分は減少し、それに垂直な方向の成分は増加する。（ただし、主光束Pの元の方向の成分は、副光束Sの強度の増加にしたがって単調に減少し続けるわけではなく、極小値をとった後に再び増加する。）【００１９】
主光束Pと副光束Sは同一光束を分割したものであるため、それらの強度は等時的に変化する。従って、偏光フィルタ１７により、光ゲート素子１４を通過した後の主光束Pの所定方向の成分を取り出すと、光ゲート素子１４を通過する前の強度変化が光ゲート素子１４の変調により補償され、強度の安定した主光束Pを取り出すことができる。また、光ゲート素子１４を通過した後の主光束Pの別の方向の成分を取り出すと、その強度変化が拡大された光束を取り出すこともできる。いずれにせよ、本発明に係る装置では、光カー効果を有するゲート素子１４を用いて、それ自身を分割した部分光束でその光束を制御するという、光束制御装置として使用することができる。その一つの応用例が、光束のエネルギー安定化装置である。【００２０】
従来、光カー効果を有する材料は、時間分解分光測定におけるカーシャッターとして、多く用いられてきた（例えば特許文献２、３）。一方、本発明に係る装置では、光カー効果を有する材料をエネルギー安定化等の光束制御用光ゲート素子として用いる。光カー効果を有する材料としては、例えば、二硫化炭素、チタン酸ストロンチウム、重フリントガラス（SFS1）、あるいはビスマス系ガラスを用いることができる。なお、ビスマス系ガラスとは、一般的なガラスを構成する物質（SiO2, B2O3等）に加え、重量％で10％以上のビスマス酸化物を含有するガラスを指す。【００２１】
上記各態様のレーザー光束制御装置は、レーザー光束が連続的な場合や、それがパルスであってもパルス継続時間が比較的長い場合に好適に用いることができる。一方、パルス継続時間がフェムト秒オーダーとなると、主光束と副光束の空間的関係を考慮しなければならない。そこで、本発明に係る各態様のレーザー光束制御装置は、超短パルスレーザー光束を対象とする場合には、前記ビーム光学系が、パルス状のレーザー光束を主光束と副光束に分割し、その後、該主光束と該副光束を分割後の光路長が等しい点で交差させるように構成することが望ましい。【００２２】
この装置構成では、分割後の主光束と副光束の光路長が等しいため、両者は光ゲート素子に同時に到着し、その際に上記同様の作用が働く。【００２３】
本発明に係るレーザー光束制御装置は、上記の通り、レーザー光束のエネルギーを安定化させる装置として用いることができるが、このような作用・効果は、1つのパルスの継続時間の間においても得ることができる。すなわち、本発明に係るレーザー光束制御装置は、1つのパルスの時間波形を変化させるパルス波形変更装置として用いることができる。この場合、光ゲート素子としては、光入射による屈折率変化が入射光のパルス幅（パルス継続時間）に比べて十分に速い材料を用いる必要がある。このような光ゲート素子の材料として、上述したチタン酸ストロンチウム、重フリントガラス（SFS1）、ビスマス系ガラスを好適に使用することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係るレーザー光束制御装置は、電気的素子を用いることなく、純粋に光学的な手段のみで構成されているため、数GHz程度の高速パルスにも対応することができる。また、光学系−電気系の調整も必要なく、低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の作用原理を示すための装置構成の概略構成図。
【図２】本発明の作用原理を示すための、主光束の偏光方向の変化の様子を示す説明図。
【図３】本発明の実施例であるフェムト秒レーザー光束エネルギー安定化装置の概略構成図。
【図４】光ゲート素子における主光束と副光束の関係を説明するための座標系図。
【図５】光ゲート素子を通る前の主光束の強度と、光ゲート素子を通過した後主光束から分離された垂直成分光の強度の変化の様子を示すグラフ。
【図６】実施例の装置を用いた場合と用いない場合の、100ショットのフェムト秒レーザーパルスの強度変化を対比したグラフ。
【図７】本発明の別の実施形態の概略構成図。
【図８】本発明の更に別の実施形態である、過渡回折格子法を用いた装置の概略構成図。
【図９】過渡回折格子法を用いた装置における光ゲート素子の変化の様子を示す説明図。
【図１０】偏光方向複合変更素子を用いる実施例の概略構成図。
【図１１】光ゲート素子を通る前の主光束パルスの時間波形と、光ゲート素子を通過した後の主光束パルスの時間波形を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の一つの実施例であるフェムト秒レーザー光束エネルギー安定化装置を図３〜図６を用いて説明する。図３は本実施例のフェムト秒レーザー光束エネルギー安定化装置の全体構成図である。光源３１で生成されたパルス状のフェムト秒レーザー光束は、ビームスプリッター３２により主光束Pと副光束Sに分割される。分割された主光束P及び副光束Sは、反射鏡等により構成されるそれぞれのビーム光学系３３、３４により、光ゲート素子３５で交差するように設定される。光ゲート素子３５は、光カー効果を有する物質で構成される。強い光カー効果を有する物質としては、二硫化炭素やチタン酸ストロンチウム、重フリントガラス（特許文献３及び特許文献４に記載の、PbO3を主成分とし、SiO2、Na2O、Sb2O3を含有するSFS1）、ビスマス系ガラス（非特許文献３に記載のBi2O3-B2O3-SiO2系ガラス）などがある。このうち、二硫化炭素は液体であるので、ガラス製の容器に封入しておく。
【００２７】
ビームスプリッター３２により分割された主光束Pと副光束Sは共に偏光子３６、３７により同一方向の直線偏光に変換され、副光束Sは更に偏光方向変更素子３８によりその偏光方向が角度θだけ回転される。これにより、主光束Pと副光束Sの偏光方向は角度θだけ異なることとなる。
【００２８】
主光束Pは、光ゲート素子３５を通過した後、偏光ビームスプリッター３９により、光ゲート素子３５を通過する前の偏光方向の成分の光（平行成分光）P1と、それに垂直な方向の成分の光（垂直成分光）P2に分離される。なお、図３では垂直成分光P2が偏光ビームスプリッター３９で直進し、平行成分光P1が反射するように描かれているが、これは逆でも構わない。副光束Sは光ゲート素子３５を通過した後は不要であるため、ストッパー４０で停止（吸収）される。
【００２９】
光ゲート素子３５における主光束Pと副光束Sの関係を図４を用いて説明する。主光束Pが光ゲート素子３５に入射する前の電場を
Ep,before = E0・cos(τ)    (1)
とする。ここで、E0は主光束Pの(電場の)振幅で、cos(τ)は電場が空間的・時間的に振動する様子を表す。正確に書くと、cos(k・r - ωt - Φ)である。ここで、kは光の波数ベクトル、rは空間座標、ωは光の角振動数、tは時間、Φは初期位相(定数)である。
主光束をx方向とy方向に分ける。すると、
Ep,before,x = cosθ・E0・cos(τ)    (2)
Ep,before,y = sinθ・E0・cos(τ)    (3)
となる。
【００３０】
光ゲート素子３５は光カー効果を有し、副光束Sによりその偏光方向(電場の方向)において、屈折率が変化している。従って、これを通過する主光束Pは、x方向のみその位相が変化する。この変化量をΔとすると、
Ep,after,x = cosθ・E0・cos(τ+Δ)              (4)
Ep,after,y = Ep,before,y = sinθ・E0・cos(τ)        (5)
となる。Δは、光ゲート素子３５の物質・厚さ・光の波長などに依存する定数に、光の強度を乗じた値である。
式(4)及び(5)をx'方向とy'方向に変換して、それぞれの振幅を計算する。
Ep,after,x' = cosθ・cosθ・E0・cos(τ+Δ) + sinθ・sinθ・E0・cos(τ)    (6)
Ep,after,y' = sinθ・cosθ・E0・cos(τ+Δ) + cosθ・sinθ・E0・cos(τ)    (7)
なお、(6)、(7)においていずれも、右辺の第1項はx方向、第2項はy方向に由来するものである。
【００３１】
以下では、「安定化される光」の電場の振動方向であるx'方向を計算する。これの振幅を計算するために、最初にcos(τ)の項とsin(τ)の項に分け、次に三角関数の公式を使う、という方法をとる。cos(τ+Δ) = cos(τ)・cos(Δ) - sin(τ)・sin(Δ)なので、
Ep,after,x' = E0・cos2θ{cos(τ)・cos(Δ) - sin(τ)・sin(Δ)} + E0・sin2θ・cos(τ)
= E0・cos(τ){cos2θ・cos(Δ) + sin2θ} - E0・sin(τ){cos2θ・sin(Δ)}
= E0√[cos4θ・cos2(Δ) + 2cos2θ・cos(Δ)sin2θ + sin4θ + cos4θ・sin2(Δ)]・cos(τ+A)
= E0√[cos4θ + 2cos2θ・sin2θ・cos(Δ) + sin4θ]・cos(τ+A)    (8)
となる。光の強度は振幅の二乗に比例することを考えると、元の光に比べて強度が
R = cos4θ + 2cos2θ・sin2θ・cos(Δ) + sin4θ    (9)
倍になっていることになる。
上記式を簡潔にするため、cos(Δ) = 1 - 2sin2(Δ/2)と変形すると、
R = cos4θ + 2cos2θ・sin2θ(1 - 2sin2(Δ/2)) + sin4θ
= cos4θ + 2cos2θ・sin2θ + sin4θ - 4cos2θ・sin2θ・sin2(Δ/2)
= 1 - sin2(2θ)・sin2(Δ/2)      (10)
となる。
【００３２】
式(10)によると、Rの値はθ及びΔに依存する。前述の通り、Δは光ゲート素子の物質などに依存する定数に光の強度をかけた値であるため、パルスエネルギーの増加にしたがって増加する。そのようなΔの値のRに対する影響度は、式(10)によるとθの値に応じて変化し、θ=45°で最大となる。
【００３３】
そこで、偏光方向変更素子３８により副光束Sを主光束Pから45°回転させ、光ゲート素子３５に入射させる。副光束Sは、光カー効果により、光ゲート素子３５の屈折率をその電場方向においてのみ変化させる。これにより、光ゲート素子３５を通過する主光束Pの偏光の状態が変わり、楕円偏光となる。この変化の程度は、副光束Sが強いほど（すなわち、主光束Pが強いほど）大きい。
【００３４】
光ゲート素子３５を通過した主光束Pは偏光ビームスプリッター３９により、平行成分光P1と垂直成分光P2に分離されるが、垂直成分光P2の強度は、副光束Sの強度が大きくなるに従って増加する。この垂直成分光P2の強度は、元の主光束Pの強度と前記Rの値の積である。主光束Pの強度と副光束Sの強度が比例することを考慮して計算すると、垂直成分光P2の強度は或るところで飽和する。この様子を図５に示す。図５では、垂直成分光P2が最大となる主光束強度を1として規格化した。これより、垂直成分光P2は、この飽和点近傍では、主光束Pの強度変化に対して変化の度合いが極めて鈍感となっている。具体的には、主光束Pの強度の±5%のゆらぎに対して垂直成分光P2のゆらぎは±0.3%以下に低減される。
【００３５】
上記装置を用いて、実際にフェムト秒レーザーパルスの強度を測定した結果を図６に示す。用いたレーザー発生装置は、徳島大学に設置されているスペクトラ・フィジックス（Spectra-Physics）社のスピットファイア（Spitfire）で、1パルスの継続時間が約130fsのパルスを100ショット発生させた際の各ショットのエネルギーを測定した。本実施例の装置を使わない場合（上の線）は、100ショットのレーザーパルスのエネルギーの標準偏差が1.6315であったのに対し、本実施例の装置を用いた場合、標準偏差は0.4246と、そのバラツキは約1/4に減少した。
【００３６】
前述の通り、本発明に係るレーザー光束エネルギー安定化装置は、レーザー光束をまず主光束と副光束に分割し、副光束で光機能素子を変化させることにより、それを通る主光束を制御するという技術思想に一般化することができるが、この作用原理を用いた上記とは別の実施形態を次に二つ述べる。
【００３７】
第１の実施形態は図７に示すようなものである。光源７１等で生成されたレーザー光束を主光束Pと副光束Sに分割した後、副光束Sを光カー効果を有する光ゲート素子７２に、主光束Pとは垂直な方向から入射する。なお、上記同様、主光束Pと副光束Sは共に、分割する前又は後に直線偏光としておく。偏光方向変更素子７３により、光ゲート素子７２に入射する時点での副光束Sの偏光方向（電場の振動方向）をz方向としておくと、光ゲート素子７２を通過する主光束Pは光カー効果により影響を受ける。特に、主光束Pの偏光方向がz方向から45°傾いているときには、大きな影響を受ける。これにより、上記同様、主光束Pの強度の安定化を図ることができる。
【００３８】
第２の実施形態は図８に示すようなものである。この例では、レーザー光束を3つに分割し、直線偏光を有する主光束Pと2つの副光束S1, S2にする。2つの副光束S1, S2は、互いに角度を成すようにして二硫化炭素等の光カー効果の大きい物質から成る光ゲート素子８１に入射させ、そこで干渉させる。この干渉により光ゲート素子８１に干渉縞が生成する（図９）。こうして干渉縞が生成した光ゲート素子８１に、主光束Pを所定の角度で入射させることにより、主光束Pの一部が回折される。このとき、主光束P中の回折される光P'の割合は、干渉縞が強いほど、すなわち副光束S1, S2が強いほど、大きくなる。従って、回折せずに直進する光P''の割合は、副光束S1, S2が強いほど、小さくなる。すなわち、この構成によっても、主光束Pの一部の回折せずに直進する光P''の強度を安定化させることができる。なお、この方法は、過渡回折格子法と呼ばれる方法を本発明に係る方法に適用したものである（非特許文献２）。
【００３９】
上記の実施例はいずれも一例であって、本発明の趣旨に沿って適宜変更や修正を行うことが可能である。
図３により説明した実施例では、光源３１からのレーザー光束をビームスプリッター３２により分割した後、主光束Pと副光束Sを偏光子３６、３７により同一方向の直線偏光に変換し、更に偏光方向変更素子３８により副光束Sの偏光方向を角度θだけ回転するように構成したが、必ずしもこの構成でなくてもよい。例えば、図７に示した例のように、レーザー光束を偏光子７２により直線偏光に変換した後、主光束Pと副光束Sに分割するように構成してもよい。また、レーザー光束を主光束Pと副光束Sに分割した後に直線偏光に変換する場合、直線偏光に変換するとともに主光束Pと副光束Sの偏光方向の間に所定の差を生じさせるように構成してもよい（図１０）。図１０に示す装置は、図３に示した装置の偏光子３７及び偏光方向変更素子３８を、偏光方向複合変更素子５０に変更したものである。この場合には偏光方向変更素子は不要となる。さらに、入射レーザー光束が直線偏光である場合には偏光子を備える必要はない。
【００４０】
上記実施例では、偏光ビームスプリッター３９を通過した後、光ゲート素子３５を通過する前と同じ偏光方向を有する平行成分光P1を取り出すことにより主光束Pのエネルギーを安定化させる点を中心に説明したが、光ゲート素子３５を通過する前とは異なる偏光方向を有する垂直成分光P2を利用することもできる。垂直成分光P2の強度変化は、光源からのレーザー光束の強度変化を増幅したものとなるため、例えばレーザー光束の強度ゆらぎのモニタリングに使用することができる。
【００４１】
図３で説明した装置（主光束と副光束の光路長を一致させた装置）において、光ゲート素子として、パルスレーザーからの各パルスのパルス時間幅よりも十分に高速に反応するチタン酸ストロンチウム、重フリントガラス（SFS1）、ビスマス系ガラス（例えばBi2O3-B2O3-SiO2系ガラス）を使用すると、上述したレーザー光の安定化に加え、パルスの時間波形を変化させる装置として用いることができる。図１１に示す例は、ガウシアン型の時間波形I(t)を有し半値全幅τが100fsである主光束を、高速で反応する光ゲート素子に入射する一例の計算結果である。
【００４２】
図１１に示す結果は、以下の式を用いた計算により得た。
はじめに、上記ガウシアン型の主光束の時間波形I(t)を以下の通りとした。
I(t)=I0exp{-4(ln2)t2/τ2}
次に、偏光ビームスプリッターを通過した後の主光束（光ゲート素子を通過する前の主光束の偏光方向と同じ偏光方向を有する光束）の強度IP1(t)を以下の式により算出した。
IP1(t)=I(t)×[1-sin2(2θ)sin2{kI(t-t’)/2}]
θは主光束の偏光方向と副光束の偏光方向の差であり、θ=45°とした。また、kは光カー効果の強さを示す定数である。t’は主光束と副光束が光ゲート素子に届く時間の差であり、t’=0とした。
このように、光ゲート素子３５を通過する前の偏光方向の成分の光（平行成分光）P1のパルス時間波形を変化させ、約50fsにわたって一定の強度を有するパルス（top-hat型のパルス）にすることができる。
【００４３】
本発明に係るレーザー光束エネルギー安定化装置は様々な分野において活用することができる。
例えば、レーザー通信の分野においては、従来、フォトダイオードを用いてレーザー光の強度をフィードバックし、電流回路で調整することによりレーザー光のエネルギーを安定化させていた。本発明に係るレーザー光束エネルギー安定化装置ではフィードバック機構を用いないため，より高速の安定化（高周波数の変動に対する安定化）が可能であり，従来よりも安定したレーザー通信を実現することができる。
また、ＭＡＬＤＩ−ＭＳ装置では、壊れやすい生体試料などをイオン化するため、照射するレーザー光のエネルギーが不安定であると、その都度異なる条件で試料がイオン化されてしまう。そのため、ＭＡＬＤＩ−ＭＳ装置にはエネルギー可変で、かつ安定したパルス光を発生させることができる光源が求められる。このような光源として本発明に係るレーザー光束エネルギー安定化装置を好適に使用することができる。
フェムト秒レーザーは、さまざまな材料の微細加工にも用いられる。このようなレーザー加工の分野において、本発明に係るレーザー光束エネルギー安定化装置を用いることにより、従来よりも精度の高い加工を施すことができる。
その他、レーザー顕微鏡等の光源部に本発明に係るレーザー光束エネルギー安定化装置を適用することにより、従来よりも精度の高いイメージング等を行うことができる。そのようなイメージングの一つとして、光音響イメージングがある。光音響イメージングは、生体組織に短パルスレーザー光を照射し、瞬間的に生体組織を熱膨張させて超音波を発生させるという、光音響効果を利用したイメージングである。光音響イメージングは、光の空間分解能の高さと音波の生体組織内長距離伝播特性を活かして、生体組織の深部の生体組織診断を高い空間分解能で行える方法として注目されている。光音響イメージング装置の光源部に本発明に係るレーザー光束エネルギー安定化装置を用いることにより、一定強度のレーザー光を照射して、診断を行う組織の深度を高精度で調節することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１１, ３１, ７１…光源
１２, ３２…ビームスプリッター
１３…反射鏡
１４, ７４, ８１…光ゲート素子
１５, ３６, ３７, ７２…偏光子
１６, ７３…偏光方向変更素子
１７…偏光フィルタ
３３、３４…ビーム光学系
３５…光ゲート素子
３８…偏光方向変更素子
３９…偏光ビームスプリッター
４０…ストッパー
５０…偏光方向複合変更素子
【図１】
2012033021.tif 000003
【図２】
2012033021.tif 000004
【図３】
2012033021.tif 000005
【図４】
2012033021.tif 000006
【図５】
2012033021.tif 000007
【図６】
2012033021.tif 000008
【図７】
2012033021.tif 000009
【図８】
2012033021.tif 000010
【図９】
2012033021.tif 000011
【図１０】
2012033021.tif 000012
【図１１】
2012033021.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成24年3月23日(2012.3.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）直線偏光である入射レーザー光束を主光束と副光束に分割し、その後、該主光束と該副光束を交差させるビーム光学系と、
ｂ）前記主光束又は前記副光束のいずれか又は双方の偏光方向を変化させる偏光方向変更素子と、
ｃ）前記主光束と前記副光束が交差する箇所に設けられた、光カー効果を有する材料から成る光ゲート素子と、
ｄ）前記光ゲート素子を通過した主光束のうち、所定の方向の偏光のみを取り出す偏光フィルタと
を備えることを特徴とするレーザー光束エネルギー安定化装置。
【請求項２】
ａ）入射レーザー光束を直線偏光に変換する入射光変換装置と、
ｂ）直線偏光に変換された入射レーザー光束を主光束と副光束に分割し、その後、該主光束と該副光束を交差させるビーム光学系と、
ｃ）前記主光束又は前記副光束のいずれか又は双方の偏光方向を変化させる偏光方向変更素子と、
ｄ）前記主光束と前記副光束が交差する箇所に設けられた、光カー効果を有する材料から成る光ゲート素子と、
ｅ）前記光ゲート素子を通過した主光束のうち、所定の方向の偏光のみを取り出す偏光フィルタと
を備えることを特徴とするレーザー光束エネルギー安定化装置。
【請求項３】
ａ）入射レーザー光束を主光束と副光束に分割し、その後、該主光束と該副光束を交差させるビーム光学系と、
ｂ）前記主光束及び前記副光束を同一方向の直線偏光に変換する直線偏光装置と、
ｃ）前記主光束又は前記副光束のいずれか又は双方の偏光方向を変化させる偏光方向変更素子と、
ｄ）前記主光束と前記副光束が交差する箇所に設けられた、光カー効果を有する材料から成る光ゲート素子と、
ｅ）前記光ゲート素子を通過した主光束のうち、所定の方向の偏光のみを取り出す偏光フィルタと
を備えることを特徴とするレーザー光束エネルギー安定化装置。
【請求項４】
ａ）入射レーザー光束を主光束と副光束に分割し、その後、該主光束と該副光束を交差させるビーム光学系と、
ｂ）前記主光束及び前記副光束をそれぞれ直線偏光に変換するとともに、両光束の偏光方向の間に所定の差を設ける偏光方向複合変更素子と、
ｃ）前記主光束と前記副光束が交差する箇所に設けられた、光カー効果を有する材料から成る光ゲート素子と、
ｄ）前記光ゲート素子を通過した主光束のうち、所定の方向の偏光のみを取り出す偏光フィルタと
を備えることを特徴とするレーザー光束エネルギー安定化装置。
【請求項５】
前記ビーム光学系において、入射レーザー光束を主光束と副光束に分割してから該主光束と該副光束を交差させるまでの間の両光束の光路長が等しいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザー光束エネルギー安定化装置。
【請求項６】
前記所定の方向が、前記光ゲート素子を通過する前の主光束の偏光の方向と同じ方向であることを特徴とする請求項１〜３及び５のうちのいずれかに記載のレーザー光束エネルギー安定化装置。
【請求項７】
前記偏光方向変更素子が、前記主光束と前記副光束の偏光方向が互いに４５°異なるようにするものであることを特徴とする請求項１〜３、５及び６のうちのいずれかに記載のレーザー光束エネルギー安定化装置。
【請求項８】
前記ビーム光学系において、入射レーザー光束を主光束と副光束に分割してから該主光束と該副光束を交差させるまでの間の両光束の光路長が等しいことを特徴とする請求項４に記載のレーザー光束エネルギー安定化装置。
【請求項９】
前記所定の方向が、前記光ゲート素子を通過する前の主光束の偏光の方向と同じ方向であることを特徴とする請求項４又は８に記載のレーザー光束エネルギー安定化装置。
【請求項１０】
前記偏光方向複合変更素子が、前記主光束と前記副光束の偏光方向が互いに４５°異なるようにするものであることを特徴とする請求項４、８及び９のうちのいずれかに記載のレーザー光束エネルギー安定化装置。
【請求項１１】
前記ビーム光学系が、前記主光束と前記副光束とを互いに直交する方向から前記光ゲート素子に入射させるものであることを特徴とする請求項１〜５及び８のうちのいずれかに記載のレーザー光束エネルギー安定化装置。
【請求項１２】
前記ビーム光学系が、前記レーザー光束を主光束と２つの副光束に分割し、その後、該主光束と該２つの副光束を１点で交差させるものであり、
ｆ）前記光ゲート素子に入射する前記主光束の入射角度を所定の値に設定する主光束入射角設定手段と
を備えることを特徴とする請求項１〜５及び８のうちのいずれかに記載のレーザー光束エネルギー安定化装置。
【請求項１３】
前記光ゲート素子が二硫化炭素、チタン酸ストロンチウム、重フリントガラス、ビスマス系ガラスのうちのいずれかであることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載のレーザー光束エネルギー安定化装置。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれかに記載のレーザー光束エネルギー安定化装置を利用してレーザーパルスの時間波形を制御することを特徴とするレーザーパルス時間波形制御装置。
【請求項１５】
ａ）直線偏光である入射レーザー光束を主光束と副光束に分割し、
ｂ）前記主光束又は前記副光束のいずれか又は双方の偏光方向を変化させ、
ｃ）該主光束と該副光束を、光カー効果を有する材料から成る光ゲート素子の内部で交差させ、
ｄ）前記光ゲート素子を通過した主光束のうち、所定の方向の偏光のみを取り出す
ことを特徴とするレーザー光束エネルギー安定化方法。
【請求項１６】
ａ）入射レーザー光束を直線偏光に変換し、
ｂ）直線偏光に変換された入射レーザー光束を主光束と副光束に分割し、
ｃ）前記主光束又は前記副光束のいずれか又は双方の偏光方向を変化させ、
ｄ）該主光束と該副光束を、光カー効果を有する材料から成る光ゲート素子の内部で交差させ、
ｅ）前記光ゲート素子を通過した主光束のうち、所定の方向の偏光のみを取り出す
ことを特徴とするレーザー光束エネルギー安定化方法。
【請求項１７】
ａ）入射レーザー光束を主光束と副光束に分割し、
ｂ）前記主光束及び前記副光束を同一方向の直線偏光に変換し、
ｃ）前記主光束又は前記副光束のいずれか又は双方の偏光方向を変化させ、
ｄ）該主光束と該副光束を、光カー効果を有する材料から成る光ゲート素子の内部で交差させ、
ｅ）前記光ゲート素子を通過した主光束のうち、所定の方向の偏光のみを取り出す
ことを特徴とするレーザー光束エネルギー安定化方法。
【請求項１８】
ａ）入射レーザー光束を主光束と副光束に分割し、
ｂ）前記主光束及び前記副光束をそれぞれ直線偏光に変換するとともに、両光束の偏光方向の間に所定の差を設け、
ｃ）前記主光束と前記副光束を、光カー効果を有する材料から成る光ゲート素子の内部で交差させ、
ｄ）前記光ゲート素子を通過した主光束のうち、所定の方向の偏光のみを取り出す
ことを特徴とするレーザー光束エネルギー安定化方法。
【請求項１９】
入射レーザー光束を主光束と副光束に分割してから該主光束と該副光束を交差させるまでの間の両光束の光路長を等しくすることを特徴とする請求項１５〜１８のいずれかに記載のレーザー光束エネルギー安定化方法。
【請求項２０】
前記所定の方向が、前記光ゲート素子を通過する前の主光束の偏光の方向と同じ方向であることを特徴とする請求項１５〜１９のいずれかに記載のレーザー光束エネルギー安定化方法。
【請求項２１】
前記主光束と前記副光束の偏光方向が互いに４５°異なるようにすることを特徴とする請求項１５〜２０のいずれかに記載のレーザー光束エネルギー安定化方法。
【請求項２２】
請求項１５〜２１のいずれかに記載のレーザー光束エネルギー安定化方法を利用してレーザーパルスの時間波形を制御することを特徴とするレーザーパルス時間波形制御方法。
【手続補正書】
【提出日】平成25年3月18日(2013.3.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
a) 直線偏光である入射レーザー光束を主光束と副光束に分割し、その後、該主光束と該副光束を交差させるビーム光学系と、
b) 前記主光束又は前記副光束のいずれか又は双方の偏光方向を変化させる偏光方向変更素子と、
c) 前記主光束と前記副光束が交差する箇所に設けられた、光カー効果を有する材料から成る光ゲート素子と、
d) 前記光ゲート素子を通過した主光束のうち、該光ゲート素子を通過する前の主光束の偏光方向と同じ方向の偏光のみを取り出す偏光フィルタと
を備えることを特徴とするレーザー光束エネルギー安定化装置。
【請求項２】
a) 入射レーザー光束を直線偏光に変換する入射光変換装置と、
b) 直線偏光に変換された入射レーザー光束を主光束と副光束に分割し、その後、該主光束と該副光束を交差させるビーム光学系と、
c) 前記主光束又は前記副光束のいずれか又は双方の偏光方向を変化させる偏光方向変更素子と、
d) 前記主光束と前記副光束が交差する箇所に設けられた、光カー効果を有する材料から成る光ゲート素子と、
e) 前記光ゲート素子を通過した主光束のうち、該光ゲート素子を通過する前の主光束の偏光方向と同じ方向の偏光のみを取り出す偏光フィルタと
を備えることを特徴とするレーザー光束エネルギー安定化装置。
【請求項３】
a) 入射レーザー光束を主光束と副光束に分割し、その後、該主光束と該副光束を交差させるビーム光学系と、
b) 前記主光束及び前記副光束を同一方向の直線偏光に変換する直線偏光装置と、
c) 前記主光束又は前記副光束のいずれか又は双方の偏光方向を変化させる偏光方向変更素子と、
d) 前記主光束と前記副光束が交差する箇所に設けられた、光カー効果を有する材料から成る光ゲート素子と、
e) 前記光ゲート素子を通過した主光束のうち、該光ゲート素子を通過する前の主光束の偏光方向と同じ方向の偏光のみを取り出す偏光フィルタと
を備えることを特徴とするレーザー光束エネルギー安定化装置。
【請求項４】
a) 入射レーザー光束を主光束と副光束に分割し、その後、該主光束と該副光束を交差させるビーム光学系と、
b) 前記主光束及び前記副光束をそれぞれ直線偏光に変換するとともに、両光束の偏光方向の間に所定の差を設ける偏光方向複合変更素子と、
c) 前記主光束と前記副光束が交差する箇所に設けられた、光カー効果を有する材料から成る光ゲート素子と、
d) 前記光ゲート素子を通過した主光束のうち、該光ゲート素子を通過する前の主光束の偏光方向と同じ方向の偏光のみを取り出す偏光フィルタと
を備えることを特徴とするレーザー光束エネルギー安定化装置。
【請求項５】
前記ビーム光学系において、入射レーザー光束を主光束と副光束に分割してから該主光束と該副光束を交差させるまでの間の両光束の光路長が等しいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザー光束エネルギー安定化装置。
【請求項６】
前記偏光方向変更素子が、前記主光束と前記副光束の偏光方向が互いに45°異なるようにするものであることを特徴とする請求項１〜３及び５のうちのいずれかに記載のレーザー光束エネルギー安定化装置。
【請求項７】
前記ビーム光学系において、入射レーザー光束を主光束と副光束に分割してから該主光束と該副光束を交差させるまでの間の両光束の光路長が等しいことを特徴とする請求項４に記載のレーザー光束エネルギー安定化装置。
【請求項８】
前記偏光方向複合変更素子が、前記主光束と前記副光束の偏光方向が互いに45°異なるようにするものであることを特徴とする請求項４又は７に記載のレーザー光束エネルギー安定化装置。
【請求項９】
前記ビーム光学系が、前記主光束と前記副光束とを互いに直交する方向から前記光ゲート素子に入射させるものであることを特徴とする請求項１〜８のうちのいずれかに記載のレーザー光束エネルギー安定化装置。
【請求項１０】
前記ビーム光学系が、前記入射レーザー光束を主光束と2つの副光束に分割し、その後、該主光束と該2つの副光束を1点で交差させるものであり、
f) 前記光ゲート素子に入射する前記主光束の入射角度を所定の値に設定する主光束入射角設定手段と
を備えることを特徴とする請求項１〜９のうちのいずれかにレーザー光束エネルギー安定化装置。
【請求項１１】
前記光ゲート素子が二硫化炭素、チタン酸ストロンチウム、重フリントガラス、ビスマス系ガラスのうちのいずれかであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のレーザー光束エネルギー安定化装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかに記載のレーザー光束エネルギー安定化装置を利用してレーザーパルスの時間波形を制御することを特徴とするレーザーパルス時間波形制御装置。
【請求項１３】
a) 直線偏光である入射レーザー光束を主光束と副光束に分割し、
b) 前記主光束又は前記副光束のいずれか又は双方の偏光方向を変化させ、
c) 該主光束と該副光束を、光カー効果を有する材料から成る光ゲート素子の内部で交差させ、
d) 前記光ゲート素子を通過した主光束のうち、該光ゲート素子を通過する前の主光束の偏光方向と同じ方向の偏光のみを取り出す
ことを特徴とするレーザー光束エネルギー安定化方法。
【請求項１４】
a) 入射レーザー光束を直線偏光に変換し、
b) 直線偏光に変換された入射レーザー光束を主光束と副光束に分割し、
c) 前記主光束又は前記副光束のいずれか又は双方の偏光方向を変化させ、
d) 該主光束と該副光束を、光カー効果を有する材料から成る光ゲート素子の内部で交差させ、
e) 前記光ゲート素子を通過した主光束のうち、該光ゲート素子を通過する前の主光束の偏光方向と同じ方向の偏光のみを取り出す
ことを特徴とするレーザー光束エネルギー安定化方法。
【請求項１５】
a) 入射レーザー光束を主光束と副光束に分割し、
b) 前記主光束及び前記副光束を同一方向の直線偏光に変換し、
c) 前記主光束又は前記副光束のいずれか又は双方の偏光方向を変化させ、
d) 該主光束と該副光束を、光カー効果を有する材料から成る光ゲート素子の内部で交差させ、
e) 前記光ゲート素子を通過した主光束のうち、該光ゲート素子を通過する前の主光束の偏光方向と同じ方向の偏光のみを取り出す
ことを特徴とするレーザー光束エネルギー安定化方法。
【請求項１６】
a) 入射レーザー光束を主光束と副光束に分割し、
b) 前記主光束及び前記副光束をそれぞれ直線偏光に変換するとともに、両光束の偏光方向の間に所定の差を設け、
c) 前記主光束と前記副光束を、光カー効果を有する材料から成る光ゲート素子の内部で交差させ、
d) 前記光ゲート素子を通過した主光束のうち、該光ゲート素子を通過する前の主光束の偏光方向と同じ方向の偏光のみを取り出す
ことを特徴とするレーザー光束エネルギー安定化方法。
【請求項１７】
入射レーザー光束を主光束と副光束に分割してから該主光束と該副光束を交差させるまでの間の両光束の光路長を等しくすることを特徴とする請求項１３〜１６のいずれかに記載のレーザー光束エネルギー安定化方法。
【請求項１８】
前記主光束と前記副光束の偏光方向が互いに45°異なるようにすることを特徴とする請求項１３〜１７のいずれかに記載のレーザー光束エネルギー安定化方法。
【請求項１９】
請求項１３〜１８のいずれかに記載のレーザー光束エネルギー安定化方法を利用してレーザーパルスの時間波形を制御することを特徴とするレーザーパルス時間波形制御方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
主光束Pと副光束Sは同一光束を分割したものであるため、それらの強度は等時的に変化する。従って、偏光フィルタ１７により、光ゲート素子１４を通過した後の主光束Pの所定方向の成分を取り出すと、光ゲート素子１４を通過する前の強度変化が光ゲート素子１４の変調により補償され、強度の安定した主光束Pを取り出すことができる。また、光ゲート素子１４を通過した後の主光束Pの別の方向の成分を取り出すと、その強度変化が拡大された光束を取り出すこともできる。いずれにせよ、本発明に係る装置では、光カー効果を有する光ゲート素子１４を用いて、それ自身を分割した部分光束でその光束を制御するという、光束制御装置として使用することができる。その一つの応用例が、光束のエネルギー安定化装置である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
そこで、偏光方向変更素子３８により副光束Sの偏光方向を主光束Pの偏光方向から45°回転させ、光ゲート素子３５に入射させる。副光束Sは、光カー効果により、光ゲート素子３５の屈折率をその電場方向においてのみ変化させる。これにより、光ゲート素子３５を通過する主光束Pの偏光の状態が変わり、楕円偏光となる。この変化の程度は、副光束Sが強いほど（すなわち、主光束Pが強いほど）大きい。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
光ゲート素子３５を通過した主光束Pは偏光ビームスプリッター３９により、平行成分光P1と垂直成分光P2に分離されるが、垂直成分光P2の強度は、副光束Sの強度が大きくなるに従って増加する。この垂直成分光P2の強度は、元の主光束Pの強度と前記Rの値の積である。主光束Pの強度と副光束Sの強度が比例することを考慮して計算すると、垂直成分光P2の強度は或るところで飽和する。この様子を図５に示す。図５では、垂直成分光P2が最大となる主光束強度を1として規格化した。これより、垂直成分光P2は、この飽和点近傍では、主光束Pの強度変化に対して変化の度合いが極めて鈍感となっている。具体的には、主光束Pの強度の±5%のゆらぎに対して垂直成分光P2のゆらぎは(+0, -0.3%)に低減される。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３７】
第１の実施形態は図７に示すようなものである。光源７１等で生成されたレーザー光束を主光束Pと副光束Sに分割した後、副光束Sを光カー効果を有する光ゲート素子７４に、主光束Pとは垂直な方向から入射する。なお、上記同様、主光束Pと副光束Sは共に、分割する前又は後に直線偏光としておく。偏光方向変更素子７３により、光ゲート素子７４に入射する時点での副光束Sの偏光方向（電場の振動方向）をz方向としておくと、光ゲート素子７４を通過する主光束Pは光カー効果により影響を受ける。特に、主光束Pの偏光方向がz方向から45°傾いているときには、大きな影響を受ける。これにより、上記同様、主光束Pの強度の安定化を図ることができる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【国際調査報告】
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