(57)【要約】      （修正有）【課題】新規な光パルス発生器及びそれを用いるための方法を提供する。【解決手段】光パルス発生器及びそれを用いるための方法が開示され、光パルス発生器は、チャープパルス２２０を供給するための供給源と、チャープパルス圧縮器２１０とを備え、このチャープパルス圧縮器が、チャープパルスの伝搬方向を波長に依存して処理することができる第１の処理デバイス２１１及び第２の処理デバイス２１２と、所定の集光点を有する集束デバイスとを備える。光パルス発生器は、第２の処理デバイスがチャープパルスの伝搬方向において、第１の処理デバイスの後に配置され、第１及び第２の処理デバイスは、チャープパルスが第２の処理デバイスを通過した後にパルスに変換されるようにチャープパルスの伝搬方向を処理することができ、パルスの異なる色成分は空間的に広がり時間的に十分に整列される。【選択図】図２Ａ
2014204129.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャープパルスを供給するための供給源と、前記チャープパルスを圧縮するための圧縮器とを備える光パルス発生器であって、前記圧縮器が、前記チャープパルスの伝搬方向を波長に依存して処理することができる第１の処理デバイス及び第２の処理デバイスと、所定の集光点を有する集束デバイスとを備える、光パルス発生器において、
前記第２の処理デバイスが、前記チャープパルスの伝搬方向において、前記第１の処理デバイスの後に配置され、
前記第１の処理デバイス及び前記第２の処理デバイスが、前記チャープパルスが前記第２の処理デバイスを通過した後にパルスに変換されるように、前記チャープパルスの伝搬方向を処理することができ、
前記パルスの異なる色成分が、空間的に広がり時間的に十分に整列されることを特徴とする、光パルス発生器。
【請求項２】
前記第１の処理デバイス及び前記第２の処理デバイスは同一の回折格子であり、ミラーが設けられ、前記ミラーが、前記チャープパルスの伝搬方向において前記回折格子の後に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の光パルス発生器。
【請求項３】
前記第１の処理デバイス及び前記第２の処理デバイスは２つの異なる回折格子であり、レンズが設けられ、前記レンズが、前記チャープパルスの伝搬方向において前記回折格子の前に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の光パルス発生器。
【請求項４】
前記第１の処理デバイス及び前記第２の処理デバイスがプリズムであることを特徴とする、請求項１に記載の光パルス発生器。
【請求項５】
前記第１の処理デバイス及び前記第２の処理デバイスの一方が回折格子であり、前記第１の処理デバイス及び前記第２の処理デバイスの他方がプリズムであることを特徴とする、請求項１に記載の光パルス発生器。
【請求項６】
前記集束デバイスが、少なくともミラー又はレンズを備えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光パルス発生器。
【請求項７】
前記チャープパルスの前記空間的に広がる成分を所定のライン上に集束することができ、前記ラインが本質的に、前記異なる色成分の平均の伝搬方向と垂直であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光パルス発生器。
【請求項８】
前記供給源がレーザ発振器と、パルス伸張器と、前記チャープパルスを供給する増幅段とを備えることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の光パルス発生器。
【請求項９】
チャープパルスを供給するための供給源と、前記チャープパルスを圧縮するための圧縮器とを備える光パルス発生器を用いることによってパルスを発生する方法であって、前記圧縮器が、前記チャープパルスの伝搬方向を波長に依存して処理することができる第１の処理デバイス及び第２の処理デバイスと、所定の集光点を有する集束デバイスとを備える、方法において、
前記チャープパルスが、前記第２の処理デバイスを通過する前に前記第１の処理デバイスを通過し、
前記チャープパルスの伝搬方向が、前記チャープパルスが前記第２の処理デバイスを通過した後にパルスに変換されるように、前記第１の処理デバイス及び前記第２の処理デバイスによって処理され、
前記パルスの異なる色成分が、空間的に広がり時間的に十分に整列されることを特徴とする、方法。
【請求項１０】
前記圧縮され集束されたパルスが、１ｎｓ未満、好ましくは１ｐｓ未満、より好ましくは５０ｆｓ未満の持続時間を有することを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記チャープパルスが伝搬方向において、２つの同一の回折格子と、ミラーとを通過することを特徴とする、請求項９又は１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記チャープパルスが伝搬方向において、レンズと、２つの異なる回折格子とを通過することを特徴とする、請求項９又は１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記チャープパルスが伝搬方向において、２つのプリズムを通過することを特徴とする、請求項９又は１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記チャープパルスが１つのプリズムと、１つの回折格子とを通過することを特徴とする、請求項９又は１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記異なる色成分が所定のライン上に集束され、前記所定のラインが本質的に、前記異なる色成分の平均の伝搬方向と垂直であることを特徴とする、請求項９〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チャープパルスを発生し集束することができる光パルス発生器、及びこのようなチャープパルスを発生し集束するための対応する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
チャープパルスを発生し集束することは、レーザの一般に知られている応用例である。通常はチャープパルスは伸張器、増幅器、及び元のチャープパルスと比べて持続時間が短いパルスが得られるように、時間領域においてチャープパルスを圧縮することを可能にする４つの回折格子を通過する。圧縮されたパルスは回折格子を出た後では、その異なる色成分の空間的及び時間的整列を有する。最初にパルスを伸張し、次いで増幅し、次いでその後に圧縮するプロセスの後、パルスの直径が過度に大きくなることがあり、したがって、パルスの色成分のそれぞれは時間的及び空間的に整列されるが、ターゲット上での高エネルギー密度を達成するために更なる集束が必要になる。フェムト秒のパルスを伸張し、増幅し、且つ圧縮する技術は、「チャープパルス増幅」（ｃｈｉｒｐｅｄ  ｐｕｌｓｅ  ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ：ＣＰＡ）として知られる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、チャープパルスを発生しそれを特定のターゲット上に集束することができる、光パルス発生器を提供することに関し、その装置は、故障が起きにくく、結果としての成分の十分な時間的及び空間的整列を可能にする簡略化された設計を有するべきである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この問題は、請求項１に記載の光パルス発生器、及び請求項９に記載のチャープパルスを発生する方法によって解決される。従属請求項は本発明の好ましい実施形態を含む。
【０００５】
光パルス発生器は、チャープパルスを供給するための供給源と、チャープパルスのための圧縮器とを備え、この圧縮器は、チャープパルスの伝搬方向を波長に依存して処理することができる第１の処理デバイス及び第２の処理デバイスと、所定の集光点を有する集束デバイスとを備え、この光パルス発生器は、第２の処理デバイスがチャープパルスの伝搬方向において、第１の処理デバイスの後に配置され、第１及び第２の処理デバイスが、チャープパルスが第２の処理デバイスを通過した後にパルスに変換されるようにチャープパルスの伝搬方向を処理することができ、パルスの異なる色成分が、空間的に広がり時間的に十分に整列されることを特徴とする。この関連において、時間的に十分に整列されるということは、場合によって必要となる空間的に広がった色成分の再集束は、異なる色成分、好ましくはすべての色成分が同時に集光点に到達する、ミラー又は良好な近似レンズなどの無彩色のデバイスを用いて達成できることを意味する。チャープパルスから空間的に広がり時間的に十分に整列された異なる色成分を含むパルスを発生することができる第１及び第２の処理デバイスを設けることによって、チャープパルスの伝搬方向に対して波長に依存した影響を及ぼす他のデバイスを回避することができる。
【０００６】
空間的に広がり時間的に十分に整列した異なる色成分が、互いに平行に伝搬する場合は、異なる色成分は時間領域において伝搬方向と垂直な平面上を伝搬する。
【０００７】
空間的に広がり時間的に十分に整列した異なる色成分が空間領域を収束又は発散するように伝搬する場合は、それらはその中心が収束点となる、又は発散する伝搬方向の原点となる球面上を伝搬する。
【０００８】
従って時間的に十分に整列した空間的に広がる成分を集束することは、色収差のない光学的集束構成部品（例えばレンズ、又は凹面鏡）によって可能であり、異なる色成分は集光点に同時に到達する。それらは強め合うように干渉し、非常に短時間（例えば５０ｆｓ未満）において高パワーを生じることが好ましい。
【０００９】
一実施形態では光パルス発生器は、２つの（同一の）回折格子（第１及び第２の処理デバイスとして）と、曲面鏡（及び／又はレンズ）とを備え、ミラー及び／又はレンズは、チャープパルスの伝搬方向において回折格子の後に配置される。同一である回折格子を設けることにより（これは例えば回折格子の刻線間隔が同一であることを意味する）、光パルス発生器は必要な光学システムの数に関して最小の労力で作製することができる。
【００１０】
他の実施形態では光パルス発生器は、２つの異なる回折格子（第１及び第２の処理デバイスとして）と、集束レンズ（及び／又は集束ミラー）とを備え、レンズはチャープパルスの伝搬方向において回折格子の前に配置されることを特徴とする。このように構成することにより、第２の処理デバイス例えば第２の回折格子からの伝搬パルスは、わずかな集束を必要とするだけである。別法としてこれは、平行でない２つの回折格子を用いることによって達成することができる。
【００１１】
他の実施形態では光パルス発生器は、第１及び第２の処理デバイスがプリズムであることを特徴とする。プリズムを設けることによって、さらに異なる色成分の実行時の差を得ることができ、それによって時間的整列が達成される。
【００１２】
他の実施形態では光パルス発生器は、第１又は第２の処理デバイスである回折格子及びプリズムを備える。この構成は回折格子とプリズムの利点を組み合わせることができる。
【００１３】
他の実施形態では、集束デバイスは少なくともミラー又はレンズを備える。このような色収差のない集束デバイスを設けることで、意図しない実行時の異なる色成分の差を回避し、達成された時間的整列を維持する。
【００１４】
他の実施形態では光パルス発生器は、チャープパルスの異なる色成分を所定のライン上に集束する（例えば円柱レンズ又はミラーを用いて）ことができ、ラインは本質的に、異なる色成分の平均の伝搬方向と垂直である。従って空間的及び時間的に整列した成分をライン上に発生することができ、多種多様な用途が可能になる。
【００１５】
他の実施形態では光パルス発生器は、供給源がレーザ発振器と、パルス伸張器と、チャープパルスを供給する増幅段とを備えることを特徴とする。このような知られたデバイスを用いることによって光パルス発生器の構築をすでに知られたデバイスに頼ることが可能になる。
【００１６】
このような光パルス発生器を用いることによって、パルスを発生する方法を実現することができ、この方法は、チャープパルスが、第２の処理デバイスを通過する前に第１の処理デバイスを通過し、チャープパルスの伝搬方向は、チャープパルスが第２の処理デバイスを通過した後にパルスに変換されるように、第１及び第２の処理デバイスによって処理され、パルスの異なる色成分は、空間的に広がり時間的に十分に整列されることを特徴とする。それにより、発生されたパルスは高エネルギー密度、並びに先行するピーク及び／又は意図しない分散を有しない完全なパルスのピーク構造をもたらすので、多くの方法において用いることができる。
【００１７】
一実施形態では、圧縮され集束されたパルスは焦点において、１ｎｓ未満、好ましくは１ｐｓ未満、より好ましくは５０ｆｓ未満の持続時間を有する。このような短いパルスは、上記の方法によって発生され集束されたときに短い時間フレームにおける高エネルギー付与を可能にし、従って物質構造を処理する能力をもたらす。
【００１８】
他の実施形態では方法は、チャープパルスが伝搬方向において２つの同一の処理デバイス（例えば回折格子）と、（集束）ミラーとを通過することを特徴とする。２つの同一の回折格子を用いることで、チャープパルスに対して他の周波数を用いることが意図されるときには回折格子を他の２つの同一の回折格子に置き換えることにより簡単な方法で装置及び方法を新しい波長に対して適合させることができるので、柔軟に方法を適用することが可能になる。
【００１９】
他の実施形態では方法は、チャープパルスが伝搬方向においてレンズ又は集束ミラーと、２つの異なる処理デバイス（例えば回折格子）を通過することを特徴とする。例えば回折格子の形での第１及び第２の処理デバイスを通過する前にレンズを通過することによって、チャープパルスの少なくともプリフォーカスが生じ、これにより従ってさらなる集束デバイスが無意味となり得る。
【００２０】
この方法の他の実施形態では、チャープパルスは伝搬方向において２つのプリズムを通過する。それによって、異なる実行時の異なる色成分がプリズムを通って伝搬する必要があることに少なくとも部分的により、時間的整列が達成される。
【００２１】
他の実施形態では方法は、チャープパルスがプリズム及び回折格子を通過することを特徴とする。従って回折格子及びプリズムの光学特性を用いて時間的整列を達成することができる。
【００２２】
他の実施形態では方法は、異なる色成分は所定のライン上に集束され、所定のラインは本質的に、異なる色成分の平均の伝搬方向と垂直であることを特徴とする。パルスを所定のライン上にもたらすことにより、空間的に拡張されたエネルギー付与が可能になり、従って多種多様な用途が可能になる。
【００２３】
代替実施形態では第２の回折格子は、平面鏡によってもたらされる第１の回折格子の虚像が、第２の回折格子の位置に一致するように、好ましくは正確に一致するように、平面鏡によって置き換えられる。これはまたプリズム及びミラーを用いて同様に達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】チャープパルス応用システムの概略図である。
【図２Ａ】本発明によるチャープパルス圧縮器の概略図である。
【図２Ｂ】本発明によるチャープパルス圧縮器の概略図である。
【図３Ａ】本発明の好ましい実施形態によるチャープ成分圧縮器の実現形態を示す図である。
【図３Ｂ】本発明の好ましい実施形態によるチャープ成分圧縮器の実現形態を示す図である。
【図３Ｃ】本発明の好ましい実施形態によるチャープ成分圧縮器の実現形態を示す図である。
【図３Ｄ】本発明の好ましい実施形態によるチャープ成分圧縮器の実現形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、パルスを発生する発振器１０５を備える、本発明によるチャープパルス発生器１００を示す。発振器は、例えばフェムト秒のパルスを出力するＴｉ：Ｓａレーザとすることができる。パルスは好ましくは１０７〜１０９Ｈｚ、より好ましくは約１０８〜５×１０８Ｈｚの高い繰り返し率で出力され、パルスエネルギーは好ましくは１０−８〜１０−１０Ｊの範囲、より好ましくは１０−９〜５×１０−９Ｊである。パルスの持続時間は、２０ｆｓから１ｐｓの間で変わり得る。このパルスは伸張器１０４に導かれ、伸張器１０４はエネルギー密度を低減するためにパルスを時間的に伸張する（１０３〜１０５倍）。次いで伸張されたパルスは増幅器１０２に導かれ、増幅器１０２は、増幅器１０２をポンピングする１０６ポンピングシステム１０３と共同して、伸張されたパルスを増幅する。増幅率は１０４〜１０６倍の範囲とすることができる。次いで増幅された伸張されたパルスは、伸張されたパルスを圧縮する圧縮器１１０に導かれる。必要なエネルギー密度及びパワーを得るために、例えば薄箔上のレーザ誘起陽子放出の場合は、出力パルスのピークパワーは１〜１００ＴＷの範囲でなければならない。要求されるパワーの正確な大きさに応じて、必要な増幅率、繰り返し率、及びパルスエネルギーは、装置の構成部品の破壊閾値を考慮に入れて計算することができる。
【００２６】
本発明による圧縮器は、結果として生じるパルス１０７において周波数成分（色成分）の十分な時間的整列を達成することになる。一方、圧縮器１１０は以下で述べるように、所定の点１０８における高エネルギー付与を達成するために、所定の点１０８においてすべての周波数成分の空間的整列をもたらす。本発明によれば圧縮器１１０（チャープ圧縮器１１０とも称される）は、チャープパルスの伝搬方向を波長に依存して処理することができる第１及び第２の処理デバイスを備える。処理されたチャープパルスは、第１及び第２の処理デバイスを通過するときにパルスに変換される。パルスは、第１及び第２の処理デバイスを通過した後には異なる色成分を含むことになり、これらの成分は空間的に広がる。従って空間的に広がる成分が所定の集光点において空間的に整列されるように、それらを集束する集束デバイスが用いられる。本発明は前記圧縮器１１０を設けており、発振器１０５、伸張器１０４、増幅器１０２、並びにポンピングシステム１０３は、ＣＰＡから一般に知られているデバイスから得られる、又はそれらと同一でもよいことに注目すべきである。
【００２７】
集光点１０８には、増幅され圧縮され、集束されたパルスが突き当たるターゲットを設けることができる。チャープ圧縮器１１０と焦点領域の間の光学場は、集束された光学場（収束する光学場）であるが、異なる色成分（すなわち異なる波長を有する光）が空間的に広がることを特徴とする。例えば図１では、光パルスの高い周波数成分は光学場の右側のみに存在し、パルスの低い周波数成分は左側のみに存在し得る。焦点領域１０８においては、パルスの異なる色成分は重なり合い、互いに強め合うように干渉し、例えば持続時間が５０ｆｓ未満の高パワーパルスを発生することができる。
【００２８】
図２Ａは、チャープパルス圧縮器２１０のより詳細な図を示す。図から分かるようにチャープパルス圧縮器２１０は、光回折格子として示される第１の処理デバイス２１１と、第２の処理デバイス２１２とを備える。以下で述べるように、第１及び第２の処理デバイスの他の実現形態（例えばプリズム）が可能である。
【００２９】
図２Ａを参照すると、いずれの場合においても第１及び第２の処理デバイス２１１及び２１２は、到来するチャープパルス２２０が、空間的に独立した又は広がった色成分２２１及び２２２（色成分は周波数成分とも呼ばれる）が集まったパルスに変換されるように、到来するチャープパルス２２０に回折により影響を及ぼすことに注目すべきである。２つの周波数成分２２１及び２２２における図示の分類は簡単化のためのみであることに注目すべきである。実際に、チャープパルス２２０に含まれる各周波数成分は、第１及び第２の処理デバイス２１１及び２１２を通って導かれ、次いでチャープパルス２２０のもう１つの周波数成分がとる経路とは空間的に独立した経路に沿って伝搬することになる。さらに第１及び第２の処理デバイス２１１及び２１２は、第１及び第２の処理デバイス２１１及び２１２の前又は後に他の集束デバイスが用いられない場合には、チャープパルス圧縮器２１０を出たときに、異なる色成分２２１及び２２２は互いに平行に伝搬するような、光学特性（例えば回折格子を用いる場合は格子定数（又は刻線密度）、又はいくつかの他の実現形態では屈折率）を有することに注目すべきである。異なる色成分は時間的に十分に整列され、伝搬の方向と垂直な平面上を進行する。
【００３０】
上記についてより詳しく説明するために図２Ｂを参照する。ここでは２つの周波数成分（色成分とも呼ばれる）について考察する。これらの成分は、図２Ａに示されるチャープパルス２２０から生じる。従って周波数成分２２１は、周波数成分２２２とは別の周波数に対応する。図２Ｂから分かるようにこれらの成分は空間的に独立であり、それらの伝搬方向に沿って互いに空間的及び時間的距離を有する。位置Ｂ及び時間ｔ０における周波数成分２２１から始めると、周波数成分２２１は矢印によって示される経路に沿って伝搬し、入射点Ｃにおいて第１の処理デバイス２１１に入射することになる。周波数成分２２１は時間ｔ１においてこの点Ｃに入射する。第１の処理デバイス２１１によって達成される周波数成分２２１の伝搬方向の波長に依存した処理により、周波数成分２２１は破線に沿って伝搬し、時間ｔ２で点Ｅにおいて第２の処理デバイスに入射することになる。やはり伝搬方向の波長に依存した処理により、周波数成分２２１は、時間ｔ３において点Ｇを通過するように破線に沿って伝搬することになる。
【００３１】
第１の成分２２１の周波数とは異なる周波数に対応するもう１つの周波数成分２２２は、上述のチャープパルスの時間的な伸張により、同じ時間ｔ０で点Ｂではなく点Ａにおいて出発する。周波数成分２２２は時間ｔ１＋Δにおいて点Ｃに到達し、但しΔは第２の周波数成分２２２が点Ａと点Ｂの間の距離を通過できるのに必要な時間である。周波数が異なることにより成分２２２は、第１の処理デバイス２１１を通過した後に、時間ｔ４で点Ｄにおいて第２の処理デバイス２１２に到着する。第１の成分２２１とは異なる伝搬方向の処理を受けることによって、第２の成分２２２は第２の処理デバイス２１２を通過した後に、時間ｔ５で点Ｆに到達する。従ってチャープパルス圧縮器２１０を出た周波数成分２２１’及び２２２’の十分な時間的整列を達成するためには、点Ｃにおける第１の周波数成分２２１と第２の周波数成分２２２の、異なる出発点Ａ及びＢによる異なる入射時間から生じる時間差を補償しなければならない。従って第１の処理デバイス２１１及び第２の処理デバイス２１２は、第１の周波数成分２２１に対する点Ｃから点Ｅを超えて点Ｇまでの伝搬時間が、第２の周波数成分２２２の点Ｃから点Ｄを超えて点Ｆまでの伝搬時間に初期時間差Δを加えた値に等しくなるように構成され設計される。このこと及び空間的に広がった成分２２１’及び２２２’の平行な整列は、第１及び第２の処理デバイス２１１及び２１２を特定の角度に構成し、波長に依存する特定の回折特性又は屈折特性（例えば格子定数、又は屈折率）をもたらすことによって達成することができる。それにより、平行に空間的に広がった周波数成分２２１’及び２２２’は時間的に整列され、従って伝搬方向と垂直な所与の表面に同時に入射することなり、すなわちそれらは点Ｆ及び点Ｇをそれぞれ同時に通過することになる。これは、チャープパルスが第１及び第２の処理デバイス２１１又は２１２を通過する前、又はパルスがそれらを出た後に配置することができる多様な集束デバイスを用いることによって周波数成分２２１’及び２２２’の空間的整列を達成するために用いることができ、集束デバイスは成分２２１及び２２２を所定の点に集束し、無彩色であり、すなわちそれらの波長に無関係に成分の集束をもたらす。
【００３２】
結果としてのパルスの伝搬方向、すなわち単位伝搬ベクトル
【数１】
2014204129.tif 000003
が、すでに得られた空間的整列により周波数に無関係である知られているＣＰＡとは異なり、本発明のベクトル
【数２】
2014204129.tif 000004
は依然としてそれぞれの周波数成分の周波数に依存することに注目すべきである。これは本発明の場合は、電界成分は
【数３】
2014204129.tif 000005
に対応することを意味し、但しωはいずれかの周波数成分（２２１’又は２２２’のような）の周波数であり、ｋ（ω）は周波数に依存する波数である。従って第２の処理デバイスを出た結果としてのパルスは、波長に依存しない伝搬方向によって特徴付けられる従来型のレーザビームには対応しない。その代わりにこれは、それぞれが所与の伝搬方向
【数４】
2014204129.tif 000006
において移動する１組の波動である。従って時間的に十分に整列した成分は所与の時間において異なる方向に沿って伝搬するが、それらは時間的に十分に整列しているので、少なくとも１つの所定の集光点において空間的整列を達成するために、ミラー又はレンズなどの無彩色のデバイスを用いることができる。
【００３３】
４つの回折格子が用いられる、又はミラーにより２つの回折格子のそれぞれが２回通過される従来型のＣＰＡパルス圧縮と異なり、ここでは２つの回折格子を通過しただけで、異なる色成分がすでに時間的に十分に整列される。従来型のＣＰＡ圧縮では２つの回折格子を通過しただけでは、時間的補償は半分しかなされない。時間的整列の残りの半分は、回折格子の３回目及び４回目の通過によってなされる。従来型のＣＰＡにおいて十分な時間的補償は、回折格子を４回通過した後に始めて達成される。従来型のＣＰＡではまた、回折格子を４回通過した後に空間的整列が達成される。
【００３４】
図３Ａ〜図３Ｄは、第１及び第２の処理デバイス、並びに集束デバイスのいくつかの実現形態を示す。示される実現形態は、意図された結果を達成するように組み合わせる、又は交換して用いる、又は互いに追加して用いることができることに注目すべきである。
【００３５】
図３Ａは、図２で述べたような回折格子である第１及び第２の処理デバイス３１１及び３１２を示し、レンズ３１３はチャープパルス、又はそれを表すものとしての周波数成分３２１及び３２２の伝搬方向において、回折格子の前に配置される。回折格子は、典型的にはミリメートル当たり数千ラインの格子定数を有する。用いるべき格子定数、及び従って回折格子の種類は、入射チャープパルスの周波数範囲に強く依存する。レンズ３１３は点３０８に焦点を有する。第１及び第２の処理デバイスを通過するときの周波数成分３２１及び３２２の回折により、異なる色成分は集光点３０８に向かって収束し、空間的に広がるが時間的に十分に整列される。この結果としてあらゆる周波数は点３０８に集束され、それによって好ましくは短時間できるだけ大きなエネルギーを付与する。
【００３６】
図３Ｂは、第１及び第２の処理デバイス３１１及び３１２の後に、第１及び第２の周波数成分３２１及び３２２の伝搬方向において、レンズ３３０が配置された対応する構成を示す。上述のように第１及び第２の処理デバイス３１１及び３１２は、到来するチャープパルス３２０を、時間的に十分に整列されるが空間的に広がった平行な周波数成分３２１’及び３２２’に変換することができる。図３Ａで述べたのと同じ結果が達成され、すなわち様々な周波数成分３２１’及び３２２’は、レンズ３３０を通過した後に、それらが同時に到達する点３０８に集束される。
【００３７】
図３Ｃは、放物面鏡３１４を用いて異なる周波数成分３２１’及び３２２’を集束する、対応する構成を示す。レンズのように放物面鏡３１４は、放物面鏡３１４を通過するときに同じ長さを有する光路上を時間的に整列した周波数成分３２１’及び３２２’が伝搬するように、両方が集光点３０８に同時に入射するように時間的に十分に整列するが平行に空間的に広がる周波数成分３２１’及び３２２’を向け直す。
【００３８】
図３Ｄは、第１及び第２の処理デバイス３１１及び３１２の代替的実現形態を示す。ここで第１及び第２の処理デバイス３１１及び３１２は、入射チャープパルス３２０が第１のプリズム３１１の境界面を誘起し、従ってこの第１のプリズム３１１の第１の境界面及び第２の境界面で屈折されるように、予め規定された屈折率を有し、所定の角度に構成されたプリズムから作られる。それによって入射チャープパルス３２０は、様々な周波数成分、例えば異なる光路に沿って伝搬する第１の周波数成分３２１及び第２の周波数成分３２２に細分化される。従ってこれらの成分は、異なる時間において異なる角度にて境界面の異なる点で第２のプリズム３１２に到達する。第２のプリズム３１２の屈折率及びその幾何学寸法により、周波数成分３２１’及び３２２’は、第２のプリズム３１２を時間的に整列するが空間的に広がった、好ましくは平行な色成分として通過することになる。次いで集束デバイス（レンズ又はミラーなど）を適用して、異なる色成分を所定の集光点に集束することができる。
【００３９】
チャープパルス圧縮器の開示された実現形態は組み合わせることができ、すなわち第１及び第２の処理デバイスの前に、又は第１及び第２の処理デバイスの後にレンズを設け、実際の条件下では第１及び第２の処理デバイスは所望の精度までの説明された結果を得られないのでパルスの異なる色成分の光路の必要な補正を達成するために放物面鏡又は同様なものをさらに設けることが可能であることに注目すべきである。
【００４０】
第１及び第２の処理デバイス３１１及び３１２を実現するために、２つの回折格子又は２つのプリズムではなく、１つの回折格子と、１つのプリズムとを用いることが有利となり得る。これを考察すると回折格子が用いられる場合は、意図される結果がそれらの互いの関係及びそれらの特定の特性によって達成されるように、第１及び第２の処理デバイス３１１及び３１２を実現するために３つの自由度がある。第１及び第２の自由度は各回折格子の格子定数である。第３の自由度は、これらの回折格子が互いに整列される角度である。従って上述の結果を得るために、同じ格子定数を有する２つの回折格子を整列すべき角度と、異なる格子定数を有する２つの回折格子を整列すべき角度は異なることになる。同じことが２つのプリズム、或いは１つのプリズムと１つの回折格子とを利用する場合にも成り立つ。２つのプリズムの場合は屈折率、及び境界面角度が対応する自由度を表す。従って図３Ｄにより２つのプリズム３１１及び３１２を用いた場合は、さらなる自由度が得られる。第１の自由度はそれらの互いの整列であり、第２及び第３の自由度はそれらのそれぞれの屈折率であり、第４及び第５の自由度は各プリズムの屈折境界面によって囲まれる角度である。
【００４１】
上述の構成は、異なる色成分の時間的整列を最初に達成することにより、チャープパルスから生じるパルスの異なる色成分を所定の集光点に集束できることに注目すべきである。これは、レンズ又はミラーなどの波長に依存しないデバイスのみを用いることによって、空間的整列を達成することを可能にする。
【００４２】
ターゲットは、パルスがターゲットに突き当たると陽子を発生するように構成することができる。ターゲットは、放射性医薬品の生成などの医療目的に用いることができる加速された陽子の放出をパルスが引き起こすように、薄箔、例えば薄い金属箔とすることができる。焦点領域においては、１０１４〜１０１６、又は１０１８Ｗ／ｃｍ２までのパワー密度、更にはより高いパワー密度が可能である。
【００４３】
上述の実施形態の１つの特定の例は、互いに平行な、互いに６〜１０ｃｍ、好ましくは互いに８〜９ｃｍ、特に互いに８．６ｃｍの距離に配置された１組の２つの回折格子である。この距離は平行な回折格子の間の垂直距離に関係する。２つの回折格子は１０００〜２０００ライン／ｍｍ、好ましくは１３００〜１８００ライン／ｍｍ、特に１７４０ライン／ｍｍを有し、回折されたパルスが各回折格子によってカバーされるように十分大きい。従って回折格子の必要なサイズは入射パルスの直径に依存し、実現形態ごとに変わり得る。波長が６００〜１０００ｎｍ、好ましくは７００〜９００ｎｍ、特に８００ｎｍであり、フーリエ限界帯域が２０〜４０ｆｓ、好ましくは２５〜３５ｆｓ、特に３０ｆｓであるレーザパルスを用いることができる。このレーザパルスは約２０〜６０ｐｓ、好ましくは３０〜５０ｐｓ、特に４１ｐｓに伸張され、次いで第１の回折格子の法線に対して予め規定された角度、好ましくは３０〜７０°、最も好ましくは５０〜６０°、特に５３°で２つの回折格子のうちの最初に当たる。同様な角度において第２の回折格子は、前記第２の回折格子から出て来る１組の平行な光線を形成し、それらのすべては互いに平行に移動するが空間において、すなわち互いの間隔において広がる。この場合の好ましい圧縮機構は、４０００００〜５００００ｆｓ２、より好ましくは４３００００〜４６００００ｆｓ２、特に４５２０３０ｆｓ２の遅延分散を誘起するのが有利である。
【符号の説明】
【００４４】
１００…チャープパルス発生器
１０２…増幅器
１０３…ポンピングシステム
１０４…伸張器
１０５…発振器
１０７…パルス
１０８…所定の点、集光点、焦点領域
１１０…圧縮器、チャープ圧縮器
２１０…チャープパルス圧縮器
２１１…第１の処理デバイス
２１２…第２の処理デバイス
２２０…チャープパルス
２２１…色成分、周波数成分
２２１’ …周波数成分
２２２…色成分、周波数成分
２２２’ …周波数成分
３０８…集光点
３１１…第１の処理デバイス
３１２…第２の処理デバイス
３１３…レンズ
３１４…放物面鏡
３２０…チャープパルス
３２１…周波数成分
３２１’ …周波数成分
３２２…周波数成分
３２２’ …周波数成分
３３０…レンズ
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【外国語明細書】
2014204129000001.pdf