(57)【要約】【課題】安定度がすぐれ、高品質で、従来のものにくらべ格段に強度の高い強光電磁場を発生することができる強光電磁場発生器を提供する。【解決手段】チャープパルス増幅を利用した光発振器内に設けた強光電磁場発生器は、光発振器が、広帯域あるいは複数の帯域に対する光エネルギー変換能を有し、光共振器から発振する発振光への光エネルギー変換を行う光増幅媒体１と、前記発振光であるパルス光に対して負の分散を与える負の分散素子２と、前記パルス光に対してモード同期作用を与えるモードロック部３と、前記パルス光に対して正の分散を与える正の分散素子４と、光学系と、少なくとも負の分散素子２、モードロック部３、および正の分散素子４を内部に収容する真空チャンバー１１とを備え、負の分散素子２または正の分散素子４からのパルス光を取り込み、強光電磁場発生点（マイクロフォーカスポイント）２８を真空チャンバー１１内に形成させる。【選択図】図１
2010186978.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャープパルス増幅を利用した光発振器内に設けた強光電磁場発生器であって、
前記光発振器が、
広帯域あるいは複数の帯域に対する光エネルギー変換能を有し、光共振器から発振
する発振光への光エネルギー変換を行う光増幅媒体と、
前記発振光であるパルス光に対して負の分散を与える負の分散素子と、
前記パルス光に対してモード同期作用を与えるモードロック部と、
前記パルス光に対して正の分散を与える正の分散素子と、
前記パルス光の共振器長を延伸させる共振器長延伸部材と、
途中に前記共振器長延伸部材を設け、前記光増幅媒体から、前記負の分散素子、前記モードロック部、および前記正の分散素子を経て前記光増幅媒体に戻るループ状の光路を、順方向または逆方向の少なくとも一方に前記パルス光が巡るように形成された光学系と、
前記パルス光が出入りする光学窓を有し、少なくとも前記負の分散素子、前記モードロック部、および前記正の分散素子を内部に収容する真空チャンバーとを備えたものであり、
前記負の分散素子または前記正の分散素子からのパルス光を取り込み、強光電磁場発生点を形成させる強光電磁場発生部材を前記真空チャンバー内に設けたことを特徴とする強光電磁場発生器。
【請求項２】
チャープパルス増幅を利用した光発振器内に設けた強光電磁場発生器であって、
前記光発振器が、
広帯域あるいは複数の帯域に対する光エネルギー変換能を有し、光共振器から発振する発振光への光エネルギー変換を行う光増幅媒体と、
前記発振光であるパルス光に対して負の分散を与える負の分散素子と、
前記パルス光に対してモード同期作用を与えるモードロック部と、
前記パルス光に対して正の分散を与える正の分散素子と、
前記パルス光の共振器長を延伸させる共振器長延伸部材と、
途中に前記共振器長延伸部材を設け、前記光増幅媒体から、前記負の分散素子、前記モードロック部、および前記正の分散素子を経て前記光増幅媒体に戻るループ状の光路を、順方向または逆方向の少なくとも一方に前記パルス光が巡るように形成された光学系と、
前記パルス光が出入りする光学窓を有し、少なくとも前記負の分散素子、前記モードロック部、および前記正の分散素子を内部に収容する真空チャンバーとを備えたものであり、
前記真空チャンバー内に、前記パルス光を周回させてエネルギー強度をエンハンスさせるエンハンスメントキャビティーを設け、前記エンハンスメントキャビティー内に、光発振器に設けた出力用取出し鏡からのパルス光をエンハンスメントキャビティーへの入力用反射鏡を通して取り込み、強光電磁場発生点を形成させるエンハンスメントキャビティー内に設けた強光電磁場発生部材を配置したことを特徴とする強光電磁場発生器。
【請求項３】
前記光発振器として、前記共振器長延伸部材が、ヘリオット型マルチパスキャビティー
であるものを用いることを特徴とする請求項１または２に記載の強光電磁場発生器。
【請求項４】
チャープパルス増幅を利用した光発振器内に設けた強光電磁場発生器であって、
前記光発振器が、
広帯域あるいは複数の帯域に対する光エネルギー変換能を有し、光共振器から発振する発振光への光エネルギー変換を行う光増幅媒体を複数直列に設け、全体の光利得を増大させるとともに共振器長を延伸させる光増幅媒体アレイと、
前記発振光であるパルス光に対して負の分散を与える負の分散素子と、
前記パルス光に対してモード同期作用を与えるモードロック部と、
前記パルス光に対して正の分散を与える正の分散素子と、
前記パルス光の共振器長を延伸させる共振器長延伸部材と、
途中に前記共振器長延伸部材を設け、前記光増幅媒体から、前記負の分散素子、前記モードロック部、および前記正の分散素子を経て前記光増幅媒体に戻るループ状の光路を、順方向または逆方向の少なくとも一方に前記パルス光が巡るように形成された光学系と、
前記パルス光が出入りする光学窓を有し、少なくとも前記負の分散素子、前記モードロック部、および前記正の分散素子を内部に収容する真空チャンバーとを備えたものであり、
前記負の分散素子または前記正の分散素子からのパルス光を取り込み、強光電磁場発生点を形成させる強光電磁場発生部材を前記真空チャンバー内に設けたことを特徴とする強
光電磁場発生器。
【請求項５】
チャープパルス増幅を利用した光発振器内に設けた強光電磁場発生器であって、
前記光発振器が、
広帯域あるいは複数の帯域に対する光エネルギー変換能を有し、光共振器から発振する発振光への光エネルギー変換を行う光増幅媒体を複数直列に設け、全体の光利得を増大させるとともに共振器長を延伸させる光増幅媒体アレイと、
前記発振光であるパルス光に対して負の分散を与える負の分散素子と、
前記パルス光に対してモード同期作用を与えるモードロック部と、
前記パルス光に対して正の分散を与える正の分散素子と、
前記パルス光の共振器長を延伸させる共振器長延伸部材と、
途中に前記共振器長延伸部材を設け、前記光増幅媒体から、前記負の分散素子、前記モードロック部、および前記正の分散素子を経て前記光増幅媒体に戻るループ状の光路を、順方向または逆方向の少なくとも一方に前記パルス光が巡るように形成された光学系と、
前記パルス光が出入りする光学窓を有し、少なくとも前記負の分散素子、前記モードロック部、および前記正の分散素子を内部に収容する真空チャンバーとを備えたものであり、
前記真空チャンバー内に、前記パルス光を周回させてエネルギー強度をエンハンスさせるエンハンスメントキャビティーを設け、前記エンハンスメントキャビティー内に、光発振器に設けた出力用取出し鏡からのパルス光をエンハンスメントキャビティーへの入力用反射鏡を通して取り込み、相対論的強度に達しうる強光電磁場発生点を形成させるエンハンスメントキャビティー内に設けた強光電磁場発生部材を配置したことを特徴とする強光電磁場発生器。
【請求項６】
前記強光電磁場発生部材が、湾曲面を対向して配置された一対の集光鏡である
ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の強光電磁場発生器。
【請求項７】
前記強光電磁場発生点で発生した量子線を取り出す手段を設けたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の強光電磁場発生器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高強度レーザーシステムに用いられる超短パルス光を効率的に得るための発振器、特にチャープパルス増幅を利用して広帯域の超短パルス光を得る発振器の内部に設けられ、ＭＨｚ級の高繰り返し度の強光電磁場を発生させる強光電磁場発生器に関する。
【背景技術】
【０００２】
高強度光を用いる光科学の分野では、高ピーク出力光を使って強光電磁場を発生させ、Ｘ線発生や電子加速といった様々な研究が行われていて、将来的に加速器との組み合わせによる高輝度ガンマ線発生等にも用いることができると考えられている。また、このような強光電磁場を原子力技術に応用することも検討されている。
【０００３】
本発明者らは、特許文献１において、高ピーク出力で超短パルス光を広帯域で、しかも高い効率で発生させることができる広帯域超短パルス光発振器を提案した。
【０００４】
この広帯域超短パルス光発振器は、レーザー発振器から出力されたレーザー光の時間幅（パルス幅）を、該レーザー光が有する広い波長スペクトル幅を利用、拡張（パルス拡張）して得られるチャープパルスを用いたものである。この広帯域超短パルス光発振器は、広帯域あるいは複数の帯域に対する光エネルギー変換能を有し、光共振器から発振する発振光への光エネルギー変換を行う１つあるいは複数の光増幅媒体と、前記光増幅媒体にエネルギーを注入して光エネルギーを発生させるか、または前記光増幅媒体に光エネルギーを注入するエネルギー注入要素と、前記発振光であるパルス光に対して負の分散を与える負の分散素子と、前記パルス光に対してモード同期作用を与えるモードロック部と、前記パルス光に対して正の分散を与える正の分散素子と、前記光増幅媒体から、前記負の分散素子、前記モードロック部、および前記正の分散素子を経て前記光増幅媒体に戻るループ状の光路を、順方向または逆方向の少なくとも一方に前記パルス光が巡るように形成された光学系とを備えている。これにより、広帯域で高強度の超短パルス光を高効率で発生させることができるようになった。
【０００５】
しかしながら、原子力技術において将来的に加速器と組合わせた高輝度ガンマ線発生等においては、更に高安定度でＭＨｚ級の高繰り返し度で、高品質、かつ高強度の光ビームが必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ＷＯ２００７／１３８９８３（特願２００６−１４６５８４）
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Leemans et al., Nature Phys. Vol. 2, No. 10, p.696-699 (2006)
【非特許文献２】Jones et al., Optics Letters, Vol. 29, No. 23, p.2812 (2004)
【非特許文献３】Gohle et al., Nature Letters, Vol. 436, doi:10.1038, nature03851 (2005)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記のような事情に鑑み、安定度がすぐれ、高品質で、従来のものにくらべ格段に繰り返し度が高く且つ１パルスあたりの相互作用強度（相対論的強度）の十分高い強光電磁場を発生することができる強光電磁場発生器を提供することを課題とする。
【０００９】
また、本発明は、上記の強光電磁場から得られた品質の優れた量子線を利用できる技術を提供することを別の課題とする。
【００１０】
すなわち、本発明は、第１に、上記課題を解決するため、チャープパルス増幅を利用した光発振器内に設けた強光電磁場発生器であって、前記光発振器が、広帯域あるいは複数の帯域に対する光エネルギー変換能を有し、光共振器から発振する発振光への光エネルギー変換を行う光増幅媒体と、前記発振光であるパルス光に対して負の分散を与える負の分散素子と、前記パルス光に対してモード同期作用を与えるモードロック部と、前記パルス光に対して正の分散を与える正の分散素子と、前記パルス光の共振器長を延伸させる共振器長延伸部材と、途中に前記共振器長延伸部材を設け、前記光増幅媒体から、前記負の分散素子、前記モードロック部、および前記正の分散素子を経て前記光増幅媒体に戻るループ状の光路を、順方向または逆方向の少なくとも一方に前記パルス光が巡るように形成された光学系と、前記パルス光が出入りする光学窓を有し、少なくとも前記負の分散素子、前記モードロック部、および前記正の分散素子を内部に収容する真空チャンバーとを備えたものであり、前記負の分散素子または前記正の分散素子からのパルス光を取り込み、強光電磁場発生点を形成させる強光電磁場発生部材を前記真空チャンバー内に設けたことを特徴とする強光電磁場発生器を提供する。
【００１１】
また、第２に、チャープパルス増幅を利用した光発振器内に設けた強光電磁場発生器であって、前記光発振器が、広帯域あるいは複数の帯域に対する光エネルギー変換能を有し、光共振器から発振する発振光への光エネルギー変換を行う光増幅媒体と、前記発振光であるパルス光に対して負の分散を与える負の分散素子と、前記パルス光に対してモード同期作用を与えるモードロック部と、前記パルス光に対して正の分散を与える正の分散素子と、前記パルス光の共振器長を延伸させる共振器長延伸部材と、途中に前記共振器長延伸部材を設け、前記光増幅媒体から、前記負の分散素子、前記モードロック部、および前記正の分散素子を経て前記光増幅媒体に戻るループ状の光路を、順方向または逆方向の少なくとも一方に前記パルス光が巡るように形成された光学系と、前記パルス光が出入りする光学窓を有し、少なくとも前記負の分散素子、前記モードロック部、および前記正の分散素子を内部に収容する真空チャンバーとを備えたものであり、前記真空チャンバー内に、前記パルス光を周回させてエネルギー強度をエンハンスさせるエンハンスメントキャビティーを設け、前記エンハンスメントキャビティー内に、光発振器に設けた出力用取出し鏡からのパルス光をエンハンスメントキャビティーへの入力用反射鏡を通して取り込み、相対論強度に達成しうる強光電磁場発生点を形成させるエンハンスメントキャビティー内に設けた強光電磁場発生部材を配置したことを特徴とする強光電磁場発生器を提供する。
【００１２】
また、第３に、上記第１または第２の発明において、前記光発振器として、前記共振器長延伸部材が、ヘリオット型マルチパスキャビティーであるものを用いることを特徴とする強光電磁場発生器を提供する。
【００１３】
第４に、チャープパルス増幅を利用した光発振器内に設けた強光電磁場発生器であって、前記光発振器が、広帯域あるいは複数の帯域に対する光エネルギー変換能を有し、光共振器から発振する発振光への光エネルギー変換を行う光増幅媒体を複数直列に設け、全体の光利得を増大させるとともに共振器長を延伸させる光増幅媒体アレイと、前記発振光であるパルス光に対して負の分散を与える負の分散素子と、前記パルス光に対してモード同期作用を与えるモードロック部と、前記パルス光に対して正の分散を与える正の分散素子と、前記パルス光の共振器長を延伸させる共振器長延伸部材と、途中に前記共振器長延伸部材を設け、前記光増幅媒体から、前記負の分散素子、前記モードロック部、および前記正の分散素子を経て前記光増幅媒体に戻るループ状の光路を、順方向または逆方向の少なくとも一方に前記パルス光が巡るように形成された光学系と、前記パルス光が出入りする光学窓を有し、少なくとも前記負の分散素子、前記モードロック部、および前記正の分散素子を内部に収容する真空チャンバーとを備えたものであり、前記負の分散素子または前記正の分散素子からのパルス光を取り込み、強光電磁場発生点を形成させる強光電磁場発生部材を前記真空チャンバー内に設けたことを特徴とする強光電磁場発生器を提供する。
【００１４】
第５に、チャープパルス増幅を利用した光発振器内に設けた強光電磁場発生器であって、前記光発振器が、広帯域あるいは複数の帯域に対する光エネルギー変換能を有し、光共振器から発振する発振光への光エネルギー変換を行う光増幅媒体を複数直列に設け、全体の光利得を増大させるとともに共振器長を延伸させる光増幅媒体アレイと、前記発振光であるパルス光に対して負の分散を与える負の分散素子と、前記パルス光に対してモード同期作用を与えるモードロック部と、前記パルス光に対して正の分散を与える正の分散素子と、前記パルス光の共振器長を延伸させる共振器長延伸部材と、途中に前記共振器長延伸部材を設け、前記光増幅媒体から、前記負の分散素子、前記モードロック部、および前記正の分散素子を経て前記光増幅媒体に戻るループ状の光路を、順方向または逆方向の少なくとも一方に前記パルス光が巡るように形成された光学系と、前記パルス光が出入りする光学窓を有し、少なくとも前記負の分散素子、前記モードロック部、および前記正の分散素子を内部に収容する真空チャンバーとを備えたものであり、前記真空チャンバー内に、前記パルス光を周回させてエネルギー強度をエンハンスさせるエンハンスメントキャビティーを設け、前記エンハンスメントキャビティー内に、光発振器に設けた出力用取出し鏡からのパルス光をエンハンスメントキャビティーへの入力用反射鏡を通して取り込み、相対論強度に達成しうる強光電磁場発生点を形成させるエンハンスメントキャビティー内に設けた強光電磁場発生部材を配置したことを特徴とする強光電磁場発生器を提供する。
【００１５】
また、第６に、上記第１ないし第５のいずれかの発明において、前記強光電磁場発生部材が、湾曲面を対向して配置された一対の集光鏡であることを特徴とする強光電磁場発生器を提供する。
【００１６】
さらに、第７に、上記第１ないし第６のいずれかの発明において、前記強光電磁場発生点で発生した量子線を取り出す手段を設けたことを特徴とする強光電磁場発生器を提供する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、上記技術的手段を採用したことにより、安定度がすぐれ、高品質で、従来のものにくらべ格段に繰り返し度が高く且つ１パルスあたりの相互作用強度（相対論的強度）の高い強光電磁場を発生させることが可能となる。
【００１８】
また、広帯域あるいは複数の帯域に対する光エネルギー変換能を有し、光共振器から発振する発振光への光エネルギー変換を行う光増幅媒体を複数直列に設け、全体の光利得を増大させるとともに共振器長を延伸させる光増幅媒体アレイを設けた光発振器を用いた場合には、さらに強度の高い強光電磁場を発生させることができる。
【００１９】
さらに、本発明によれば、ＭＨｚレーザー発振器とエンハンスメントキャビティー技術を組み合わせることにより、高繰り返し度と高強度を達成しつつ、光増幅媒体としてＬＤ励起固体レーザー物質を複数台、たとえば１００台直列（タンデム）に配列することにより１０ＧｅＶ級の加速ポテンシャルをメートル級の装置スケールで容易に実現することができ、このような加速ポテンシャル装置を１００台直列（タンデム）に配列することにより百メートル級の装置スケールでＴｅＶ級高繰り返し電子加速器の実現も期待できる。このように、本発明によれば、装置の大幅な小型化および低価格化も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態１の概念説明図である。
【図２】本発明の実施形態２の概念説明図である。
【図３】本発明の実施形態３の概念説明図である。
【図４】エンハンスメントキャビティーの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の強光電磁場発生器について説明する。なお、本明細書において「強光電磁場」とは、１０１３Ｗ／ｃｍ２以上の光電磁場のことをいう。
【００２２】
本発明では、光発振器を用いる。この光発振器は、チャープパルス増幅を利用するもので、光増幅媒体と、負の分散素子と、モードロック部と、正の分散素子と、共振器長延伸部材と、光学系と、真空チャンバーを備える。光増幅媒体にエネルギーを注入するエネルギー注入手段は、光発振器内に組み込んでも、光発振器とは別に設けてもよい。
【００２３】
光増幅媒体は、広帯域あるいは複数の帯域に対する光エネルギー変換能を有し、光共振器から発振する発振光への光エネルギー変換を行う。光増幅媒体としては、例えば、光エネルギー変換を光パラメトリック増幅により行うための非線形結晶を用いることができる。このような光学結晶としては、β−ＢａＢ２Ｏ４等の結晶が例示される。非線形結晶は、非同軸光パラメトリック過程を利得過程として利用し、しかも、モード同期をかける部分と利得を得る部分をチャープパルス増幅（ＣＰＡ）法の概念を利用して分離した構成により、励起光のパルス幅が長くても効率良く超短パルス光を発生することが可能となる。
【００２４】
負の分散素子は、発振光であるパルス光に対して負の分散を与える。負の分散素子としては、例えば、チャープミラーを用いることができる。
【００２５】
モードロック部は、前記パルス光に対してモード同期作用を与える。モードロック部のモードロッカーとしては、例えば、サファイア結晶を用いることができる。
【００２６】
正の分散素子は、パルス光に対して正の分散を与える。正の分散素子としては、例えば、チャープミラーを用いることができる。
【００２７】
本発明では、共振器長延伸部材を用いることにより、従来のパルス光の共振器長に比べ、パルス光の共振器長を桁違いに延伸させることができる。例えば、５０ｍや１００ｍのオーダーの共振器長をも実現することが期待される。共振器長を桁違いに伸ばすことは、光発振器内を周回する光パルスの繰り返しが低下することによる、１発あたりのエネルギーのエンハンスメントを狙うこととなる。したがって、同じ平均出力でも１発あたりのエネルギーが高くできるようになる。共振器長延伸部材としては、例えば、ヘリオット（Herriot）型マルチパスキャビティーを用いることができる。
【００２８】
光学系は、途中に前記共振器長延伸部材を設け、光増幅媒体から、負の分散素子、モー
ドロック部、および正の分散素子を経て光増幅媒体に戻るループ状の光路を、順方向また
は逆方向の少なくとも一方に前記パルス光が巡るように形成するもので、光学部材を用い
て構成される。
【００２９】
真空チャンバーは、パルス光が出入りする光学窓を有し、負の分散素子、モードロック
部および正の分散素子を内部に収容する。
【００３０】
共振器の一構成態様では、例えば、パルス光がループ状の光路を順方向に巡り、負の分散素子が光増幅媒体から出射されたパルス光に負の分散を与え、モードロック部が負の分散素子により負の分散を与えられたパルス光に対してモード同期作用を与え、正の分散素子がモードロック部によりモード同期がかけられたパルス光に対して正の分散を与えるように構成される。
【００３１】
また、広帯域の光発振の場合は、非線形光学結晶に入射するパルス光と励起光は、各々の光軸が互いに所定の角度をもった非同軸状態になるように励起光源および光学系が配置されて、より広帯域の光エネルギー変換が可能な非同軸光パラメトリック発振過程を利用したモードロック発振が行われることが好ましい。
【００３２】
上記構成の広帯域超短パルス光発振器において、光パラメトリック増幅過程では、励起光が存在するときにのみ利得を有するので、励起光パルスと信号光パルスのパルス幅を整合させることで光パラメトリック増幅の効率を最大化できる。また従来のＣＰＡ法で見られるように、パルス幅が伸長したことによる瞬間的な光強度の低減により結晶の損傷を抑制することができる。そのためには、相補的な関係にある負の分散素子と正の分散素子とを用いることが有効である。すなわち、非線形光学結晶に入射する前のパルス光に正の分散を与えて、利得を得る部位である非線形光学結晶においてパルス幅が十分に伸びている状態にする。それにより、発振パルス幅と利得持続時間を整合させて、十分な効率を得ることが可能である。パルス光の利得持続時間を長くしても、非線形光学結晶とは分離されたモードロック部に入射する光パルスについては、負の分散素子により究極的に短くすることが可能である。
【００３３】
負の分散素子は、パルス光に対してフーリエ限界パルスを形成するように負の分散を与えることが好ましい。なお分散の正負に関しては相補的であればよくて、パルス伸長に負の分散を与えた場合は上述の「正」と「負」を入れ替えても機能する。
【００３４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００３５】
図１は、本発明の実施形態１の概念説明図である。
【００３６】
本実施形態では、光発振器を用いる。この光発振器は、光増幅媒体１、負の分散素子２、モードロック部３、正の分散素子４、および共振器長延伸部材５を有する。また、パルス光のループを形成するため、ミラー６、７、８、９、１０が設けられている。さらに、負の分散素子２、モードロック部３、正の分散素子４を内部に収容するため真空チャンバー１１が配置されている。
【００３７】
本実施形態では、このような構成を有する光発振器の真空チャンバー１１内に強光電磁場発生部１２が設けられている。
【００３８】
光増幅媒体１は、広帯域あるいは複数の帯域に対する光エネルギー変換能を有し、光共振器から発振する発振光への光エネルギー変換を行う機能を持つ。例えばレーザー媒質を用いることができる。但し、利得帯域の広い媒質、例えばβ−ＢａＢ２Ｏ４やチタンサファイアのような媒質を用いることが必要である。光増幅媒体１は、１つに限られず、複数の光増幅媒体を用いることも可能である。本例では、β−ＢａＢ２Ｏ４からなる非線形結晶１３を用いる。
【００３９】
負の分散素子２は、光増幅媒体１から出射された発振光であるパルス光に負の分散を与
える分散素子である。本例では、負チャープミラー１４を用いる。
【００４０】
モードロック部３は、負の分散素子２（負チャープミラー１４）により負の分散を与えられたパルス光に対してモード同期作用を与える。本例では、モードロック部３は、サファイアプレートからなるモードロッカー１５と、一対の凹面鏡１６、１７により構成される。
【００４１】
正の分散素子４は、モードロック部３からのパルス光に正の分散を与える分散素子である。本例では、正チャープミラー１８を用いる。
【００４２】
共振器延伸部材５は、共振器長を延伸するために設けられる。本例では、ヘリオット型マルチパスキャビティー１９を用いる。
【００４３】
真空チャンバー１１は、非線形結晶１３からのパルス光を入射させるための光学窓２０とパルス光を出射させるための光学窓２１を有する。真空チャンバー１１は、例えばステンレスやアルミ等の材料で形成したものを用いることができる。真空チャンバー１１はその一部に設けられたチューブ２２を介して真空ポンプ２３に連結されている。また、真空チャンバー１１の別の部分においてはキセノン等のターゲットガスを供給するための配管２４が連結され、その途中に可変リーク弁２５が設けられている。
【００４４】
強光電磁場発生部１２は、一対の集光鏡２６、２７が配置され、集光鏡２６、２７の中間部分で共焦点が形成され、その部分が強光電場を発生させるマイクロフォーカスポイント２８となっている。集光鏡２６、２６としては放物面鏡や楕円鏡等を用いることができる。本例では、集光鏡２６、２７として凹面を互いに対向させて配された一対の軸外し放物面鏡を用いているが、これに限定されない。
【００４５】
このような構成において、１０Ｗ級メガヘルツピコ秒グリーンパルスを励起光として非線形結晶１３に入射させると、シグナル光（ωｓ）とアイドラー光（ωｉ）の光子エネルギーに変換される。このシグナル光（ωｓ）は広帯域のパルス光であり、ミラー６、７により反射され、真空チャンバー１１の光学窓２０より真空チャンバー１１内に入射する。入射したパルス光は、負チャープミラー１４により負の分散を受けた後、ミラー８により反射され、強光電磁場発生部１２に入射する。
【００４６】
強光電磁場発生部１２では、集光鏡２６により反射され、さらに集光鏡２７で反射される。その際、パルス光の軌跡は共焦点を形成し、ここがマイクロフォーカスポイント２８となる。
【００４７】
強光電磁場発生部１２より出射したパルス光はモードロック部３に入射する。ここでは、パルス光は凹面鏡１６で反射された後、モードロッカー１５を通過する。パルス光はモードロッカー１５でモード同期作用を与えられる。そしてそのパルス光は凹面鏡１７で反射された後、ミラー９により反射され、正チャープミラー１８に入る。ここでパルス光は正チャープミラー１８により正の分散を受けた後、真空窓２１から真空チャンバー１１の外に出て、ヘリオット型マルチパスキャビティー１９に入射する。  パルス光はヘリオット型マルチパスキャビティー１９で多数回往復反射した後、ミラー１０で反射し、非線形結晶１３に入射する。パルス光は非線形結晶１３により光利得を得る。このループを繰り返す。非線形結晶１３による光増幅過程は、広帯域利得過程として利用される。
【００４８】
なお、非線形結晶１３内において、シグナル光（ωｓ）であるパルス光と励起光は異なる軸角に設定されている。
【００４９】
光共振器内におけるパルス光のこのようなループにより、マイクロフォーカスポイント２８で強光電磁場が発生する。そしてこのマイクロフォーカスポイント２８を含む領域が強光電磁場発生器の要部となる。
【００５０】
また、真空チャンバー１１内には、パルス幅が短くなる部分がある部材を配置する。従って、負、正の分散付与素子２、４を境に超短パルス側はすべて真空中とすることができる。空気が存在すると、空気の持つ非線形屈折効果（ｎ２の効果）で自己収束が起こり、損傷の原因になる。さらに、マイクロフォーカスポイント２８では、原子が光電界でイオン化する程度まで光の強度が高まるため、当然真空チャンバー１１（相互作用チャンバー）中である必要がある。真空チャンバー１１の共振器の上記の如き部材を設けなければ、パルス幅が短くなっている部分での光伝搬に非線形効果が表れ、場合によっては損傷をもたらすこととなる。一方、真空チャンバー１１内にマイクロフォーカスポイント２８を設けなければ、高次高調波発生も、高速電子発生も期待できない。
【００５１】
以上により、安定度がすぐれ、高品質で、従来のものにくらべ格段に強度の高い強光電磁場を発生させることが可能となる。
【００５２】
すなわち、共振器長を桁違いに長くすると、１パルス当たりの強度が、従来のものに比べ、桁違いに大きなものを得ることができる。得られる強度の値は、共振器（キャビティー）の設計の仕方にもよるが、現行で動作可能、あるいは利用可能なレーザーによれば、ＭＨｚのＣＰＡ光共振器とすると、マイクロジュール／パルスの相互作用が可能となる。この場合、キャビティー内での光パルスのエネルギーは１Ｗ程度、繰り返し１ＭＨｚを用いることとする。なお、光閉じ込めによるエンハンス効果（後述）を考慮すればもっと高い相互作用エネルギーも可能になると期待される。
【００５３】
従来技術では共振器長は通常２ｍであり、強度は通常１ｎＪ／パルスであった。これに対し、本実施形態では、共振器長を５０ｍとした場合には、約５０ｎＪ／パルスの強度、１００ｍとした場合には、約１００ｎＪ／パルスの強度が得られる。
【００５４】
次に、本発明の実施形態２について説明する。図２は、実施形態２の強光電磁場発生器の概念図である。
【００５５】
図中３１は、実施形態１の真空チャンバー１１とその中に設けられている各要素を含んでいるものである。３２１、３２２・・・３２ｉ、３２ｉ＋１・・・３２ｎ−１、３２ｎは実施形態１の非線形結晶１３に相当する。本実施形態では、非線形結晶３２１、３２２・・・３２ｉ、３２ｉ＋１・・・３２ｎ−１、３２ｎとして実施形態１の非線形結晶１３と同じものを用いた。３３１、３３２・・・３３ｉ、３３ｉ＋１・・・３３ｎ−１、３３ｎは１０ＫＷ励起源である。３４、３５はミラーである。実施形態１に相当するヘリオット型マルチパスキャビティーは設けていない。
【００５６】
このような構成とすると、共振器長が延伸するのに加えて、パワーが桁違いに強い光パルスが得られる利点がある。
【００５７】
また、図２の構成において、光強度はステージが上になるほど、大きくなるが、以下のようにして、その光強度は、最終ステージで結晶の損傷耐性未満に抑制することができる。
【００５８】
すなわち、最終ステージの光強度は、３１でキャビティー中を周回するモードロックパルスのエネルギーが、どの程度新型量子線へ変換されるかに依存すると考えられる。例えば、もっとも可能性が高い高次高調波の場合であると、特に工夫を凝らさない場合はその変換効率は１０−６程度であり、あまりロスがないといえる。従って、レーザー発振器内の周回する光パルスのエネルギーＥｃｉｒは、増幅器の小信号利得係数（ｇ０）と利得長（ｌ）の積ｇ０ｌ、キャビティーからのエネルギーロスの割合ｄ（但しｄ＜＜１）と増幅器の飽和フルーエンスＥｓａｔで決まるとされていて、Ｅｃｉｒ＝（ｇ０ｌ／ｄ−１）Ｅｓａｔとなる。また、増幅器の損傷が起こらないように増幅器のポイントではパルス幅が伸長されているようにする。さらには、ビーム径が十分に大きくなるように空間的に広がっていることが、むしろキャビティーの設計指針になると考えられる。実際に、低繰り返しならば広帯域の数ミリジュール級パルスをＣＰＡすることは問題なくできており、光強度がもとになる損傷は回避される。むしろ、繰り返しが上がることによる残留熱の影響が厳しくなる場合、適切な冷却機構を設けることにより対処することができる。
【００５９】
次に、本発明の実施形態３について説明する。この実施形態３では、上記のＭＨｚ級レーザー発振器にエンハンスメントキャビティー技術（非特許文献２、３参照）を導入したたものである。
【００６０】
図３は本実施形態３の強光電磁場発生器の概念説明図である。本実施形態では、パワーサプライ４１からエネルギーが注入される光増幅器（ＬＤ）４２が直列（タンデム）に配置され、高効率で多くのエネルギーを供給できるようになっている。真空チャンバー４３は光学窓４４、４５を有し、真空チャンバー４３内の各要素と真空チャンバー４３外の光エネルギー変換系とで周回光学系が形成されている。
【００６１】
真空チャンバー４３内には、パルス光のパルス幅を圧縮するコンプレッサー４６、位相を補償するコンペンセーター４７、モードロック部４８、パルス光のパルス幅を延伸するストレッチャー４９、マルチパスキャビティー５０、強光電磁場発生部５１が配置されている。５２は強光電磁場が発生するマイクロフォーカスポイントである。ＯＣは光発振器からいったんエネルギーを取り出すための出力用取出し鏡、ＩＭは入力用反射鏡であり、入力用反射鏡ＩＭからミラーないし凹面鏡５３〜６２を介してふたたび入力用反射鏡ＩＭに戻るまでの経路によりエンハンスメントキャビティーＥＣが形成されている。出力用取出し鏡ＯＣは、通常のレーザー発振器に設けられている出力鏡と同様なものであり、モードロック部４８等に達した光の強度には大きく影響するものではない。また、エンハンスメントキャビティーＥＣは反射率がほとんど１００％のミラーで構成されている光共振器であるといえる。
【００６２】
ここで、このエンハンスメントキャビティー技術の原理について説明する。
【００６３】
電場干渉を考慮した場合について、図４を参照して述べる。ここでは入力用反射鏡ＩＭの複素反射率をｒとし、複素透過率をｄとする。キャビティー長をＬ、入射光の波数をｋ、角周波数をωとすれば、入射点からｚだけ光の進行方向に変位した点における時刻ｔのｎ周目の電場は次式で表される。ただしｔ＝０で光入射が始まったとする。
【００６４】
Ｅncir（z,t）＝（１＋ｒexp（ikL）＋（（ｒexp（ikL））２＋・・・
＋（（ｒexp（ikL））ｎ）ｄＥ0exp（ｉ(kz-ωt)）
（１＋ｒexp（ikL）＋（（ｒexp（ikL））２＋・・・＋（（ｒexp（ikL））ｎ。
【００６５】
右辺は｜ｒexp（ikL）｜＜１であるからｎを十分に大とすると収束する無限級数である。
【００６６】
従って、Ｅｃｉｒ（z,t）＝ｄＥ０exp（ｉ(kz-ωt)）／（１−ｒexp（ikL））
ゆえにキャビティー内をめぐる光の強度Icirは|Ecir(z,t)|2に比例するので、
Ｉcir（z,t）∝｜ｄ｜２｜Ｅ｜２／（（１−ｒexp（ikL））（１−ｒexp（−ikL））＝｜ｄ｜２｜Ｅ｜２／（（１−２ｒcos（kL）＋ｒ２）））
ｒを実数とすると、ＩＭの反射率をＲとしてｒ＝Ｒ０．５と書ける。ＩＭの透過率をＴとすればＴ＋Ｒ＝１（入射用反射鏡ＩＭでの散乱ロス等がないと仮定）、｜ｄ｜２＝Ｔ＝１−Ｒと書けるとする。
【００６７】
ここでｋＬ＝２ｍπ（ｍは整数）のとき、コンストラクティブ干渉となり、下記式で表される。
【００６８】
Ｉconcir＝Ｉin（１＋Ｒ０．５）（１−Ｒ０．５）
Ｉconcir〜Ｉin４／Ｔ
従って、Ｒが１に近づきＴがほとんどゼロに近づくことにより、入射強度Ｉｉｎを上回るＩｃｉｒが可能となり、エンハンスメント効果が得られることになる。
【００６９】
本実施形態は、上記原理のエンハンスメントキャビティーを適用するものである。
【００７０】
本実施形態では、たとえば１ユニット２０ｋＷの電気入力で１００ｍキャビティーに１００台のエネルギー入力部を設けた場合、電気−光変換効率５０％として１ＭＷのトータルＬＤパワーの入力を、取り出し効率１０％として２００ｋＷのモードロックパルストレーンが出力用取出し鏡ＯＣから発振できることとなる。
【００７１】
また、これを同じく１００ｍのエンハンスメントキャビティーで光蓄積し、１００倍のエンハンスメントを行えば２０Ｊ／ｐｕｌｓｅで１ＭＨｚの強光電磁場のマイクロフォーカスポイント４２の実現が可能になる。そして、パルス幅２００ｆｓのフェムト秒光パルスを利用することにより、出力１００ＴＷのＭＨｚ強光電磁場発生器ということになる。
【００７２】
従来のＣＰＡによる高強度レーザー装置だけでは高々２００ｋＷの平均出力であるが、本実施形態のようにエンハンスメントキャビティーを組み込むことで実質１００倍の相互作用が可能になる。ＭＨｚ級という高繰り返し化を図ることで、全体としての相互作用の効率を従来技術で可能な値の１００００倍以上に高めることができる。
【００７３】
このような状況が実現できれば、例えば高強度光相互作用部として１００ミクロン径の１ｍ級キャピラリー放電をターゲットとして用いてレーザー航跡場加速を行うことで１０ＧｅＶ級のレーザー加速が可能となる。
【００７４】
もちろん相互作用部分に様々なターゲット、集光条件を提供することで高輝度Ｘ線や高輝度レーザーコンプトンガンマ線発生も可能となる。
【００７５】
しかも、装置は数メートルのスケール長で済み、低コスト化を図ることができる。
【００７６】
また、マイクロフォーカスポイント４２から、Ｘ線、電子線、中性子線、ガンマ線などの量子線を取り出して利用することもできる。この場合、マイクロフォーカスポイント４２に例えば希薄なガス流をさらすと、集光強度が１０１４Ｗ／ｃｍ２でも高次高調波（コヒーレントＸＵＶ光）をレーザーパルスと同じ方向に出射させることができ、また、集光強度が１０１８Ｗ／ｃｍ２という相対論的強度まで上がると、レーザー航跡場加速が起こり、ＭｅＶ級の高速電子が発生し、また、航跡場振動をＴＨｚ帯に変調すると、ＴＨｚ光源となる。さらに、マイクロフォーカスポイント４２をプラズマにさらすと、Ｘ線レーザーの励起が期待される。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明の強光電磁場発生器は、原子力技術における核検認、核変換用ガンマ線発生、位相制御による量子制御、放射線ラジオグラフィーなどに応用できる他、高繰り返しＴＷ級のパルスを発生できることから、これを利用する各種の研究、実験等への利用が可能となる。
【符号の説明】
【００７８】
１    光増幅媒体
２    負の分散素子
３    モードロック部
４    正の分散素子
５    共振器長延伸部材
６、７、８、９、１０    ミラー
１１    真空チャンバー
１２    強光電磁場発生部
１３    非線形結晶
１４    負チャープミラー
１５    モードロッカー
１６、１７    凹面鏡
１８    正チャープミラー
１９    マルチパスキャビティー
２０、２１    光学窓
２２    チューブ
２３    真空ポンプ
２４    配管
２５    可変リーク弁
２６、２７    集光鏡
２８    マイクロフォーカスポイント
３１    実施形態１の真空チャンバー１１とその中に設けられている部材を含んでいる
構造に相当
３２（３２１、３２２・・・３２ｉ、３２ｉ＋１、・・・３２ｎ−１、３２ｎ）    非
光学結晶
３３（３３１、３３２・・・３３ｉ、３３ｉ＋１、・・・３３ｎ−１、３３ｎ）    １
０ｋＷ励起源
３４、３５    ミラー
４１    パワーサプライ
４２    光増幅器（ＬＤ）
４３    真空チャンバー
４４、４５    光学窓
４６    コンプレッサー
４７    コンペンセーター
４８    モードロック部
４９  ストレッチャー
５０    マルチパスキャビティー
５１    強光電磁場発生部
５２    マイクロフォーカスポイント
ＯＣ    出力用取出し鏡
ＩＭ    入力用反射鏡
ＥＣ    エンハンスメントキャビティー
【図１】
2010186978.tif 000003
【図２】
2010186978.tif 000004
【図３】
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【図４】
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