(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シグナル光をポンプ光で増幅するレーザ増幅装置であって、
前記シグナル光を出力するシグナル光出力部と、
前記ポンプ光を出力するポンプ光出力部と、
前記シグナル光出力部から出力された前記シグナル光、及び前記ポンプ光出力部から出力された前記ポンプ光が入力され、前記シグナル光を前記ポンプ光で増幅して出力する非線形結晶体と、を備え、
前記非線形結晶体には、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように、１つの前記シグナル光に対して複数の前記ポンプ光が入射させられ、
複数の前記ポンプ光は、前記非線形結晶体の光入射面において互いに異なる複数の位置に入射させられ、
１つの前記シグナル光は、前記非線形結晶体の光入射面において複数の前記ポンプ光が入射させられる複数の前記位置を含むように前記非線形結晶体に入射させられる、ことを特徴とするレーザ増幅装置。
【請求項２】
複数の前記ポンプ光は、互いに平行に前記非線形結晶体に入射させられる、ことを特徴とする請求項１記載のレーザ増幅装置。
【請求項３】
前記非線形結晶体に入射させられる複数の前記ポンプ光の強度を検出する光強度検出部と、
前記光強度検出部によって検出された複数の前記ポンプ光の強度が所定の関係となるように、前記ポンプ光出力部を制御する制御部と、を更に備える、ことを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ増幅装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記光強度検出部によって検出された複数の前記ポンプ光の強度が互いに均一となるように、前記ポンプ光出力部を制御する、ことを特徴とする請求項３記載のレーザ増幅装置。
【請求項５】
前記非線形結晶体は、複数の非線形結晶部を有し、
１つの前記シグナル光は、複数の前記非線形結晶部を含むように前記非線形結晶体に入射させられ、複数の前記ポンプ光は、前記非線形結晶部ごとに前記非線形結晶体に入射させられる、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のレーザ増幅装置。
【請求項６】
複数の前記ポンプ光はそれぞれ所定の波長を有する、ことを特徴とする請求項１記載のレーザ増幅装置。
【請求項７】
シグナル光をポンプ光で増幅するレーザ増幅方法であって、
光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように、１つの前記シグナル光に対して複数の前記ポンプ光を非線形結晶体に入射させ、
複数の前記ポンプ光を、前記非線形結晶体の光入射面において互いに異なる複数の位置に入射させ、
１つの前記シグナル光を、前記非線形結晶体の光入射面において複数の前記ポンプ光を入射させる複数の前記位置を含むように前記非線形結晶体に入射させる、ことを特徴とするレーザ増幅方法。
【請求項８】
複数の前記ポンプ光を、互いに平行に前記非線形結晶体に入射させる、ことを特徴とする請求項７記載のレーザ増幅方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シグナル光をポンプ光で増幅するレーザ増幅装置及びレーザ増幅方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の高出力レーザの進展には目覚ましいものがある。レーザ光は、空間位相が揃ったコヒーレント光であるため、レーザ光を収束させると、太陽光等のインコヒーレント光に比べて非常に高い集光輝度を得ることができる。このようなレーザ光の性質を利用して、産業界では、高出力レーザによるレーザ加工（切断、溶接、穴あけ、改質等）が普及し、理科学研究分野では、高密度物理研究（レーザ粒子加速、レーザによる宇宙物理の解明等）や、レーザ核融合の研究が進められている。
【０００３】
レーザ光の高出力化を実現するために、光パラメトリック増幅（ＯＰＡ：Optical  Parametric  Amplification）を利用することが考えられている。シグナル光及びポンプ光が位相整合条件を満たすように非線形結晶に入射させられると、ポンプ光からシグナル光にエネルギが変換されてシグナル光が増幅され、同時にアイドラ光が発生する。この過程が光パラメトリック増幅と呼ばれている。非特許文献１には、直列的に配置された複数の非線形結晶にシグナル光を順次入射させ、各非線形結晶において光パラメトリック増幅によりシグナル光を増幅するレーザ増幅装置が記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】岡田大、他１０名、「光パラメトリックチャープパルス増幅システムにおける広スペクトル帯域光発生」、J.  Plasma  Fusion  Res.  Vol.85,  No.6  (2009)、ｐ．３８４−３８８、社団法人  日本プラズマ・核融合学会、平成２１年６月２５日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、非特許文献１に記載されたようなレーザ増幅装置にあっては、後段の非線形結晶ほど高強度のレーザ光が入射することになる。従って、後段の非線形結晶においてレーザ損傷（高強度のレーザ光の入射による損傷）の発生を防止する必要性があることから、非特許文献１に記載されたようなレーザ増幅装置では、レーザ光の高出力化に限界がある。
【０００６】
そこで、本発明は、高品質なレーザ光を高出力で得ることが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課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係るレーザ増幅装置は、シグナル光をポンプ光で増幅するレーザ増幅装置であって、シグナル光を出力するシグナル光出力部と、ポンプ光を出力するポンプ光出力部と、シグナル光出力部から出力されたシグナル光、及びポンプ光出力部から出力されたポンプ光が入力され、シグナル光をポンプ光で増幅して出力する非線形結晶体と、を備え、非線形結晶体には、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように、１つのシグナル光に対して複数のポンプ光が入射させられ、複数のポンプ光は、非線形結晶体の光入射面において互いに異なる複数の位置に入射させられ、１つのシグナル光は、非線形結晶体の光入射面において複数のポンプ光が入射させられる複数の位置を含むように非線形結晶体に入射させられる、ことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係るレーザ増幅方法は、シグナル光をポンプ光で増幅するレーザ増幅方法であって、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように、１つのシグナル光に対して複数のポンプ光を非線形結晶体に入射させ、複数のポンプ光を、非線形結晶体の光入射面において互いに異なる複数の位置に入射させ、１つのシグナル光を、非線形結晶体の光入射面において複数のポンプ光を入射させる複数の位置を含むように非線形結晶体に入射させる、ことを特徴とする。
【０００９】
これらのレーザ増幅装置及びレーザ増幅方法においては、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように、１つのシグナル光に対して複数のポンプ光が非線形結晶体に入射させられる。これにより、複数のポンプ光から１つのシグナル光にエネルギが変換されて、当該シグナル光が増幅されることになる。このとき、非線形結晶体に入射する複数のポンプ光の位相が互いに同一でなくても、シグナル光と各ポンプ光とのランダムな位相差はアイドラ光に移るので、１つのシグナル光は、複数のポンプ光の位相情報の影響を受けずに増幅されることになる。つまり、複数のポンプ光によって１つのシグナル光がコヒーレント光として増幅されることになる。よって、これらのレーザ増幅装置及びレーザ増幅方法によれば、１つのシグナル光を高品質なレーザ光として高出力で得ることができる。
【００１０】
ここで、本発明に係るレーザ増幅装置は、非線形結晶体に入射させられる複数のポンプ光の強度を検出する光強度検出部と、光強度検出部によって検出された複数のポンプ光の強度が所定の関係となるように、ポンプ光出力部を制御する制御部と、を更に備えることが好ましい。この構成によれば、増幅後のシグナル光の強度分布に所定の関係を持たせることができる。
【００１１】
このとき、制御部は、光強度検出部によって検出された複数のポンプ光の強度が互いに均一となるように、ポンプ光出力部を制御することが好ましい。この構成によれば、増幅後のシグナル光の強度分布を均一化することができる。
【００１２】
また、非線形結晶体は、複数の非線形結晶部を有し、１つのシグナル光は、複数の非線形結晶部を含むように非線形結晶体に入射させられ、複数のポンプ光は、非線形結晶部ごとに非線形結晶体に入射させられることが好ましい。この構成によれば、非線形結晶部におけるレーザ損傷の発生が防止されるように各非線形結晶部に入射するポンプ光の強度を抑制しても、非線形結晶部の数を増加させることで、増幅後のシグナル光を高出力化することができる。
【００１３】
また、複数のポンプ光はそれぞれ所定の波長を有していてもよい。各ポンプ光は、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように非線形結晶体に入射させられるので、複数のポンプ光がそれぞれ所定の波長を有していても、１つのシグナル光をコヒーレント光として増幅させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高品質なレーザ光を高出力で得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態のレーザ増幅装置の構成図である。
【図２】図１の光強度検出部によって取得された画像を示す図である。
【図３】図１のレーザ増幅装置における光パラメトリック増幅の原理を示す概念図である。
【図４】図１のレーザ増幅装置における光パラメトリック増幅の原理を実証するための実験装置の構成図である。
【図５】図４の実験装置により得られたポンプ光の近視野像を示す図である。
【図６】図４の実験装置により得られたポンプ光の干渉パターン、ポンプ光の遠視野像、アイドラ光の遠視野像及びシグナル光の遠視野像を示す図である。
【図７】図４の実験装置により得られたポンプ光の干渉パターン、ポンプ光の遠視野像、アイドラ光の遠視野像及びシグナル光の遠視野像を示す図である。
【図８】図４の実験装置における増幅後のシグナル光の集光可能エネルギを示すグラフである。
【図９】本発明の他の実施形態のレーザ増幅装置の一部構成図である。
【図１０】本発明の他の実施形態のレーザ増幅装置の一部構成図である。
【図１１】本発明の他の実施形態のレーザ増幅装置の一部構成図である。
【図１２】図１１のレーザ増幅装置の一部拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１７】
図１に示されるように、レーザ増幅装置１は、１つのレーザ光源（シグナル光出力部）２と、複数のレーザ光源（ポンプ光出力部）３１〜３ｎ（ｎ：２以上の整数）と、非線形結晶体９と、を備えている。レーザ光源２は、例えば波長１０５４ｎｍのシグナル光Ｌｓを出力する。レーザ光源３１〜３ｎは、例えば波長５３２ｎｍのポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎをそれぞれ出力する。非線形結晶体９は、例えばタイプ１型ＢＢＯ（ベータホウ酸バリウム）結晶からなる。非線形結晶体９は、シグナル光Ｌｓ及びポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎが入力されると、シグナル光Ｌｓをポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎで増幅して出力する。このように、レーザ増幅装置１は、シグナル光Ｌｓをポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎで増幅するものである。
【００１８】
レーザ光源２から出射されたシグナル光Ｌｓは、波長板４及び偏光子５によって出力調整及び偏光制御が施されて直線偏光とされる。直線偏光とされたシグナル光Ｌｓは、ビーム拡大／縮小レンズ系６によってビームサイズ（ビーム径）の調整が施される。ビームサイズの調整が施されたシグナル光Ｌｓは、アパーチャ７によって所定の部分を切り抜かれ、その切り抜かれた像は、像転送用真空テレスコープ８によって非線形結晶体９上に転送される。これにより、回折効果に起因したビーム発散が抑制される。
【００１９】
各レーザ光源３１〜３ｎから出射されたポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎは、シグナル光Ｌｓと同様に、波長板４、偏光子５、ビーム拡大／縮小レンズ系６、アパーチャ７及び像転送用真空テレスコープ８を伝播する。ただし、ポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎの偏光方向は、非線形結晶体９において光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすために、シグナル光Ｌｓの偏光方向と直交するように調整される。ポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎは、非線形結晶体９の光入射面においてマトリックス状に配列されるようにミラー１１によって反射され、更にダイクロイックミラー１２によって非線形結晶体９側へ反射される。なお、シグナル光Ｌｓは、ダイクロイックミラー１２を非線形結晶体９側へ透過する。
【００２０】
非線形結晶体９には、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように、１つのシグナル光Ｌｓに対して複数のポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎが入射させられる。すなわち、タイプ１型ＢＢＯ結晶からなる非線形結晶体９に、波長１０５４ｎｍのシグナル光Ｌｓ及び波長５３２ｎｍのポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎを入射させる場合、非線形結晶体９での屈折率が等しくなるように結晶切出し角度（非線形結晶体９の結晶軸とレーザ光（シグナル光Ｌｓ、ポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎ）の伝搬方向とのなす角）を２２．８°とする。そして、ポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎの偏光方向を、非線形結晶体９の結晶軸とレーザ光の伝搬方向とがなす面方向（異常光線面方向、ｅ軸方向）とし、シグナル光Ｌｓの偏光方向を、ｅ軸方向と直交する方向（通常光線面方向、Ｏ軸方向）とする。
【００２１】
このとき、非線形結晶体９は、回転及びあおり調整機構を有するステージ１３上に設置されているので、シグナル光Ｌｓ及びポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎに対する非線形結晶体９の角度は、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように高精度で微調整される。これにより、非線形結晶体９では、ポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎからシグナル光Ｌｓにエネルギが変換されてシグナル光Ｌｓが増幅され、増幅されたシグナル光Ｌｓが非線形結晶体９から出射される。これと同時に、非線形結晶体９ではアイドラ光が発生するが、シグナル光Ｌｓとポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎとが数度の角度をなして伝搬するようにダイクロイックミラー１２によって調整されるので、発生したアイドラ光は容易に取り除かれる。
【００２２】
非線形結晶体９から出射されたシグナル光Ｌｓは、干渉フィルタ１４を透過して外部へ出射される。一方、エネルギ変換に使われなかったポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎは、非線形結晶体９を通過した後、干渉フィルタ１４によって遮断される。なお、エネルギ変換に使われなかったポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎを、他の非線形結晶体９においてポンプ光として再利用してもよい。
【００２３】
レーザ増幅装置１は、制御部１５と、光強度検出部１６と、を更に備えている。制御部１５は、例えば電気回路によるディレイ回路によって、シグナル光Ｌｓ及びポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎが非線形結晶体９に同時に到達するように、レーザ光源２及びレーザ光源３１〜３ｎの出射タイミングを制御する。これにより、非線形結晶体９で最大の増幅利得が得られる。
【００２４】
光強度検出部１６は、非線形結晶体９に入射させられる複数のポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎの強度を検出する。光強度検出部１６は、ポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎの波長に合わせられたアクロマートレンズ（色消しレンズ）１７、及びＣＣＤカメラ１８を有している。これにより、光強度検出部１６は、図２に示されるように、非線形結晶体９の光入射面においてマトリックス状に配列されたポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎの強度分布を示す画像を取得する。
【００２５】
光強度検出部１６は、取得した画像を制御部１５に送信する。制御部１５は、受信した当該画像に基づいて、非線形結晶体９の光入射面においてマトリックス状に配列されたポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎの強度が互いに均一となるように、レーザ光源３１〜３ｎをフィードバック制御する。これにより、非線形結晶体９の光入射面において互いに異なる位置にポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎが入射させられても、ポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎの入射位置に起因した利得のばらつきが抑制される。なお。ポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎの出力制御は、例えば、レーザ光源３１〜３ｎの励起光源（半導体レーザやフラッシュランプ等）の出力を調整することによって行われる。
【００２６】
ここで、上述したレーザ増幅装置１における光パラメトリック増幅の原理について説明する。
【００２７】
図３に示されるように、非線形結晶体９には、シグナル光Ｌｓ及びポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎが入力され、非線形結晶体９からは、ポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎで増幅されたシグナル光Ｌｓ、及びアイドラ光Ｌｉ１〜Ｌｉｎが出力される。なお、シグナル光Ｌｓ、ポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎ及びアイドラ光Ｌｉ１〜Ｌｉｎは、非線形結晶体９の光入射面９ａ及び光出射面９ｂにおいて重なり合うが、図３では便宜上、別々に示している。
【００２８】
シグナル光Ｌｓ、ポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎ及びアイドラ光Ｌｉ１〜Ｌｉｎの波長をそれぞれλｓ，λｐ，λｉとすると、光パラメトリック増幅の位相整合条件が満たされているので、波長λｓ，λｐ，λｉ間には次式（１）の関係が成立する（２π／λｐ，２π／λｓ，２π／λｉ：波数ベクトル）。これにより、シグナル光Ｌｓの波長λｓが１０５４ｎｍであり、かつポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎの波長λｐが５３２ｎｍであれば、アイドラ光Ｌｉ１〜Ｌｉｎの波長λｉは１０７４ｎｍとなる。
２π／λｐ＝２π／λｓ＋２π／λｉ…（１）
【００２９】
また、シグナル光Ｌｓ、ポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎ及びアイドラ光Ｌｉ１〜Ｌｉｎの位相をそれぞれφｓ，φｐｊ，φｉｊとすると（ｊ：１〜ｎ）、光パラメトリック増幅の位相整合条件が満たされているので、位相φｓ，φｐｊ，φｉｊ間には次式（２）の関係が成立する。
φｐｊ−φｓ−φｉｊ＝π／２…（２）
【００３０】
ここで、特徴的なのは、非線形結晶体９に入射する複数のポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎの位相φｐｊが互いに同一でなくても、シグナル光Ｌｓと各ポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎとのランダムな位相差はアイドラ光Ｌｉ１〜Ｌｉｎに移り、１つのシグナル光Ｌｓは、複数のポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎの位相情報の影響を受けずに増幅されることである。これは、ランダムな位相を有する複数のレーザ光（ポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎ）から、均一位相を有する１つのレーザ光（シグナル光Ｌｓ）に、コヒーレント結合することと同じことを意味する。
【００３１】
上述した光パラメトリック増幅の原理を実証するために実験を行った。この実験では、ポンプ光を２ビームに分割した場合及びポンプ光を多ビームアレイに分割した場合のそれぞれの場合において、増幅後のシグナル光、及び光パラメトリック増幅で発生したアイドラ光のビーム特性を評価した。
【００３２】
実験装置は、図４に示されるとおりである。シグナル光用のレーザ光源２としては、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ（波長１０５３ｎｍ、パルス幅２０ｎｓ、繰り返し率１０Ｈｚ）を用いた。また、ポンプ光用のレーザ光源３としては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波（波長５３２ｎｍ、パルス幅５ｎｓ、繰り返し率１０Ｈｚ）を用いた。
【００３３】
そして、レーザ光源３から出射されたポンプ光には、波長板４及び偏光子５によって出力調整及び偏光制御を施し、ビーム拡大／縮小レンズ系６によってビーム径の調整を施した。その後段において、ポンプ光を２ビームに分割する場合には、プリズム対２１，２２を用い、２ビーム間の位相差を調整するために位相調整用プリズム２３を用いた。一方、ポンプ光をランダム位相の多ビームアレイに分割する場合には、ランダム位相板２４を用いた。
【００３４】
そして、２ビーム化或いは多ビーム化されたポンプ光を、アパーチャ７に通過させた後、像転送用真空テレスコープ８によって非線形結晶体９上に転送した。非線形結晶体９としては、ＢＢＯ（ベータホウ酸バリウム）結晶を用いた。
【００３５】
また、レーザ光源２から出射されたシグナル光には、波長板４及びグランレーザプリズム２５によって出力調整及び偏光制御を施し、そのシグナル光を像転送用真空テレスコープ８によって非線形結晶体９上に転送した。なお、ポンプ光とシグナル光とを約同軸上にアライメントするためにダイクロイックミラー１２を用いた。
【００３６】
図５（ａ）は、図４に示された実験装置によって２ビーム化されたポンプ光の近視野像である。一方、図５（ｂ）は、図４に示された実験装置によって多ビーム化されたポンプ光の近視野像である。
【００３７】
続いて、マッハツェンダー干渉計を用いて、２ビーム化されたポンプ光の干渉パターンを測定すると共に、その場合におけるポンプ光の遠視野像、増幅後のシグナル光の遠視野像、及び光パラメトリック増幅で発生したアイドラ光の遠視野像を測定した。測定結果は、図６に示されるとおりである。位相調整用プリズム２３によって、２ビーム間の位相差を０rad，π／２rad，πrad，３π／２rad，２πradと変化させた。
【００３８】
図６（ａ），（ｅ）に示されるように、ポンプ光において２ビーム間の位相差を０rad，２πradとした場合には、ポンプ光の遠視野像の集光パターンはシングルスポットとなり、アイドラ光及びシグナル光の遠視野像の集光パターンも同様にシングルスポットとなった。図６（ｂ），（ｄ）に示されるように、ポンプ光において２ビーム間の位相差をπ／２rad，３π／２radとした場合には、ポンプ光の遠視野像の集光パターンは干渉によって２つに分かれた。このとき、アイドラ光の遠視野像の集光パターンも２つに分かれたが、シグナルの遠視野像の集光パターンはシングルスポットとなった。図６（ｃ）に示されるように、ポンプ光において２ビーム間の位相差をπradとした場合にも、同様の結果が得られた。
【００３９】
このように、ポンプ光における２ビーム間の位相差にかかわらず、増幅後のシグナル光の遠視野像の集光パターンはシングルスポットで変わらなかった。このことから、２ビーム化されたポンプ光の位相情報はアイドラ光に移り、シグナル光は、２ビーム化されたポンプ光の位相情報の影響を受けずに増幅されることが実証された。
【００４０】
一方、マッハツェンダー干渉計を用いて、多ビーム化されたポンプ光の干渉パターンを測定すると共に、その場合におけるポンプ光の遠視野像、増幅後のシグナル光の遠視野像、及び光パラメトリック増幅で発生したアイドラ光の遠視野像を測定した。測定結果は、図７に示されるとおりである。
【００４１】
図７に示されるように、ランダム位相板２４によって多ビーム化されたポンプ光の遠視野像の集光パターンは干渉によってスペックルパターンとなった。このとき、アイドラ光の遠視野像の集光パターンもスペックルパターンとなったが、シグナルの遠視野像の集光パターンはシングルスポットとなった。
【００４２】
このように、ポンプ光における多ビーム間の位相差にかかわらず、増幅後のシグナル光の遠視野像の集光パターンはシングルスポットとなった。このことから、多ビーム化されたポンプ光の位相情報はアイドラ光に移り、シグナル光は、多ビーム化されたポンプ光の位相情報の影響を受けずに増幅されることが実証された。
【００４３】
次に、増幅後のシグナル光のビーム品質がポンプ光の数及び位相の影響を受けないことを定量的に評価するために、シグナル光の集光可能エネルギを測定した。その測定結果は、図８のとおりである。
【００４４】
図８のグラフでは、Ｆナンバ（集光レンズの焦点距離ｆ／ビーム径Ｄ）と波長λとの積で表わされる直径を横軸とし、その直径を有するアパーチャを通過した出力を規格化したものを縦軸とした。そして、２ビーム化されたポンプ光（位相差あり）によって増幅されたシグナル光（実施例１）、多ビーム化されたポンプ光（位相差あり）によって増幅されたシグナル光（実施例２）、増幅前のシグナル光（比較例）について評価を行った。
【００４５】
回折効果によって集光可能な直径には限界があり、空間ビームプロファイルがガウス型の場合、回折限界ビーム直径は２．４Ｆλである。図８に示されるように、実施例１，２では、比較例と同様に、回折限界ビーム直径においてシグナル光の集光特性が８０％以上となった。
【００４６】
以上の実験により、位相のそろっていない複数のポンプ光から、位相のそろった均一波面のシグナル光が得られることが確認された。これにより、ランダムな位相を有する複数のレーザ光（ポンプ光）から、均一位相を有する１つのレーザ光（シグナル）に、コヒーレント結合することが実証された。
【００４７】
以上説明したように、レーザ増幅装置１（及び当該装置１で実施されるレーザ増幅方法）においては、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように、１つのシグナル光Ｌｓに対して複数のポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎが非線形結晶体９に入射させられる。これにより、複数のポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎから１つのシグナル光Ｌｓにエネルギが変換されて、当該シグナル光Ｌｓが増幅されることになる。このとき、非線形結晶体９に入射する複数のポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎの位相が互いに同一でなくても、シグナル光Ｌｓと各ポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎとのランダムな位相差はアイドラ光Ｌｉ１〜Ｌｉｎに移るので、１つのシグナル光Ｌｓは、複数のポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎの位相情報の影響を受けずに増幅されることになる。つまり、複数のポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎによって１つのシグナル光Ｌｓがコヒーレント光として増幅されることになる。よって、レーザ増幅装置１（及び当該装置１で実施されるレーザ増幅方法）によれば、非線形結晶体９におけるレーザ損傷の発生が防止されるように複数のポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎを分散させて、１つのシグナル光Ｌｓを高品質なレーザ光として高出力で得ることができる。
【００４８】
また、レーザ増幅装置１においては、非線形結晶体９に入射させられる複数のポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎの強度が光強度検出部１６によって検出され、光強度検出部１６によって検出された複数のポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎの強度が互いに均一となるように、制御部１５によってレーザ光源３１〜３ｎが制御される。これにより、非線形結晶体９の光入射面において互いに異なる位置にポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎが入射させられても、ポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎの入射位置に起因した利得のばらつきが抑制されることになるので、増幅後のシグナル光Ｌｓの強度分布を均一化することができる。
【００４９】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。
【００５０】
例えば、上記実施形態では、電気回路によるディレイ回路によって、シグナル光Ｌｓ及びポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎが非線形結晶体９に同時に到達するように、レーザ光源２及びレーザ光源３１〜３ｎの出射タイミングが制御されたが、より高い精度が必要な場合には、レーザ増幅装置１を次のように構成してもよい。
【００５１】
すなわち、図９に示されるように、共通のレーザ光源２６が用いられて、当該レーザ光源２６から出射されたレーザ光は、シグナル光Ｌｓ用の種光と各ポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎ用の種光とに分岐させられる。シグナル光Ｌｓ用の種光は、そのままシグナル光Ｌｓとして用いられてもよいが、中空ファイバ２７中の伝搬による非線形効果を利用してスペクトル帯域の広帯域化を行った後に用いてもよい。シグナル光Ｌｓの広帯域化を行うことで、より短いパルス幅を得ることができ、延いては、より高い強度の出力を得ることができる。ここでは、レーザ光源２６及び中空ファイバ２７によってシグナル光出力部が構成されている。
【００５２】
一方、各ポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎ用の種光は、レーザ増幅器２８によって増幅された後に、ＫＤＰ（リン酸二水素カリウム）結晶やＤＫＤＰ（部分重水素置換ＫＤＰ）結晶等からなる波長変換用の非線形結晶体２９によって所望の波長へ変換される。例えば、波長１０５４ｎｍの第二高調波である波長５２７ｎｍのポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎが得られる。ここでは、レーザ光源２６、レーザ増幅器２８及び非線形結晶体２９によってポンプ光出力部が構成されている。
【００５３】
中空ファイバ２７から出射されたシグナル光Ｌｓ、及び各非線形結晶体２９から出射されたポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎは、光パラメトリック増幅用の非線形結晶体９に伝搬される。なお、レーザ光源２６と中空ファイバ２７との間にはミラー１１が配置されている。これにより、シグナル光Ｌｓ及びポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎが非線形結晶体９に同時に到達するように、シグナル光Ｌｓ側の光路長の調整が行われる。
【００５４】
また、図１０に示されるように、非線形結晶体９は、複数の非線形結晶部１０を有していてもよい。ここでは、光軸ＯＡと直交する面に沿って、複数の非線形結晶部１０がマトリックス状に配置されている。各非線形結晶部１０は、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たす角度でカッティングされている。この場合、複数のポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎは、光軸ＯＡに沿って、非線形結晶部１０ごとに（或いは複数の非線形結晶部１０のまとまりごとに）非線形結晶体９に入射させられる。このとき、１つのシグナル光Ｌｓは、光軸ＯＡに沿って、複数のポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎが入射させられた複数の非線形結晶部１０を含むように非線形結晶体９に入射させられる。
【００５５】
このような構成によれば、非線形結晶部１０におけるレーザ損傷の発生が防止されるように各非線形結晶部１０に入射するポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎの強度を抑制しても、非線形結晶部１０の数を増加させることで、増幅後のシグナル光Ｌｓを高出力化することができる。そして、シグナル光Ｌｓのビームサイズが大きくなるほど小さいスポットに集光することができるので、より高い集光輝度を得ることができる。
【００５６】
また、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように非線形結晶体９に入射させられれば、複数のポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎはそれぞれ所定の波長を有していてもよい。一例として、図１１，１２に示されるように、波長５００ｎｍのポンプ光Ｌｐ１、波長６５０ｎｍのポンプ光Ｌｐ２及び波長５３２ｎｍのポンプ光Ｌｐ３が、タイプ１型ＢＢＯ結晶からなる非線形結晶体９に入射させられる場合、ポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐ３は、波長１０５４ｎｍのシグナル光Ｌｓに対して位相整合条件を満たす必要がある。そのためには、各ポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐ３の位相整合角（非線形結晶体９の結晶軸ＣＡとレーザ光（ポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐ３）の伝搬方向とのなす角）は、それぞれ２３．６°，２０．３°，２２．８°となる。各ポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐ３は、ミラー１１によって光路が調整されて、非線形結晶体９中で交差する。
【００５７】
このような構成によれば、各ポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎが、光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように非線形結晶体９に入射させられるので、複数のポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎがそれぞれ所定の波長を有していても、１つのシグナル光Ｌｓをコヒーレント光として増幅させることができる。
【００５８】
また、上記実施形態では、光強度検出部１６によって検出された複数のポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎの強度が互いに均一となるように、制御部１５がレーザ光源３１〜３ｎを制御したが、これに限定されない。制御部１５は、光強度検出部１６によって検出された複数のポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎの強度が所定の関係となるように、レーザ光源３１〜３ｎを制御してもよい。このような構成によれば、増幅後のシグナル光Ｌｓの強度分布に所定の関係を持たせることができる。
【００５９】
また、非線形結晶体９は、ＢＢＯ結晶からなるものに限定されず、ＫＤＰ結晶やＤＫＤＰ等、その他の非線形結晶からなるものであってもよい。更に、非線形結晶体９の光入射面に入射させられるシグナル光Ｌｓ及びポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎの断面形状は、矩形状に限定されず、円形状等、その他の形状であってもよく、隣り合うポンプ光Ｌｐ１〜Ｌｐｎ同士の一部が非線形結晶体９の光入射面上で重畳してもよい。
【符号の説明】
【００６０】
１…レーザ増幅装置、２…レーザ光源（シグナル光出力部）、３，３１〜３ｎ…レーザ光源（ポンプ光出力部）、９…非線形結晶体、１０…非線形結晶部、１５…制御部、１６…光強度検出部、２６…レーザ光源（シグナル光出力部、ポンプ光出力部）、２７…中空ファイバ（シグナル光出力部）、２８…レーザ増幅器（ポンプ光出力部）、２９…非線形結晶体（ポンプ光出力部）、Ｌｓ…シグナル光、Ｌｐ１〜Ｌｐｎ…ポンプ光、Ｌｉ１〜Ｌｉｎ…アイドラ光。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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