(57)【要約】【課題】高強度高繰り返し及び超短パルスであり、中心波長１０３０ｎｍのレーザーパルスを発生させることができる小型のレーザー光発生装置を提供する。【解決手段】中心波長１０３０ｎｍのレーザーパルスを出力するレーザー発振器と、レーザー発振器からのレーザー光のパルス幅を伸長させるパルス伸長器と、非線形光学結晶を備え、励起用パルスレーザー光の照射により、パルス伸長器からのレーザー光の強度を増幅する光パラメトリックチャープパルス前段増幅器と、Ｙｂイオンドープ・レーザー媒質を備え、波長９４０ｎｍ又は９７５ｎｍの高繰り返し高エネルギーの励起用レーザー光を照射させることにより、前段増幅器からのレーザー光の強度の増幅を行う主増幅器と、主増幅器からのレーザー光のパルス幅を圧縮して波長１０３０ｎｍの高強度高繰り返しの超短レーザーパルスを発生させるパルス圧縮器を有することを特徴とするレーザー光発生装置。【選択図】図１
2011028043.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー発振器から出力される中心波長１０３０ｎｍのレーザーパルスのパルス幅を伸長させ、パルス幅が伸長したレーザー光を光パラメトリックチャープパルス前段増幅器で増幅させた後、Ｙｂイオンドープ・レーザー媒質を備えた主増幅器に入射し、波長９４０ｎｍ又は９７５ｎｍで高繰り返し高エネルギーの励起用レーザー光を該レーザー媒質に照射することにより、レーザー光の強度をさらに増幅させ、増幅されたレーザー光のパルス幅を圧縮して、波長１０３０ｎｍの高強度高繰り返しの超短レーザーパルスを発生させることを特徴とするレーザー光発生方法。
【請求項２】
主増幅器のＹｂイオンドープ・レーザー媒質として、Ｙｂイオンドープ・ＹＡＧレーザー、Ｙｂイオンドープ・ガラス、Ｙｂイオンドープ・ＫＧＷ又はＹｂイオンドープ・セラミックを用いることを特徴とする請求項１に記載のレーザー光発生方法。
【請求項３】
主増幅器のＹｂイオンドープ・レーザー媒質として、Ｙｂイオンドープ・薄膜ディスクを用いることを特徴とする請求項２に記載のレーザー光発生方法。
【請求項４】
中心波長１０３０ｎｍのレーザーパルスを出力するレーザー発振器と、
レーザー発振器からのレーザー光のパルス幅を伸長させるパルス伸長器と、
非線形光学結晶を備え、励起用パルスレーザー光の照射により、パルス伸長器からのレーザー光の強度を増幅する光パラメトリックチャープパルス前段増幅器と、
Ｙｂイオンドープ・レーザー媒質を備え、波長９４０ｎｍ又は９７５ｎｍで高繰り返し高エネルギーの励起用レーザー光を該レーザー媒質に照射させることにより、光パラメトリックチャープパルス前段増幅器からのレーザー光の強度をさらに増幅させる主増幅器と、
主増幅器からのレーザー光のパルス幅を圧縮して中心波長１０３０ｎｍの高強度高繰り返しの超短レーザーパルスを発生するパルス圧縮器を有することを特徴とするレーザー光発生装置。
【請求項５】
主増幅器のＹｂイオンドープ・レーザー媒質が、Ｙｂイオンドープ・ＹＡＧレーザー、Ｙｂイオンドープ・ガラス、Ｙｂイオンドープ・ＫＧＷ又はＹｂイオンドープ・セラミックであることを特徴とする請求項４に記載のレーザー光発生装置。
【請求項６】
主増幅器のＹｂイオンドープ・レーザー媒質が、Ｙｂイオンドープ・レーザー薄膜ディスクであることを特徴とする請求項５に記載のレーザー光発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高強度高繰り返し及び超短パルスのレーザーパルスを発生させることができるレーザー光発生方法及びレーザー光発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、高強度のレーザーパルスを得るためには、複数の増幅部を備えたレーザー光発生装置が用いられている。しかし、単に複数の増幅部を設けるだけでは、増幅媒質等の損傷の問題があり、エネルギーのピーク強度を高めることは困難であった。
【０００３】
そこでエネルギーのピーク強度をより高めた超短パルス状のレーザー光を得るために、チャープパルス増幅法（以下、ＣＰＡ法とも称する）が用いられている。
【０００４】
図２に、ＣＰＡ法を用いた従来のレーザー光発生装置を模式的にブロック図で示す（非特許文献１等参照）。このレーザー光発生装置１１は、レーザー発振器１２、パルス伸長器１３、パルス選択器１４、再生増幅器１５、再生増幅器励起用レーザー１６、主増幅器１７、主増幅器励起用レーザー１８、パルス圧縮器１９から構成される。
【０００５】
レーザー発振器１２には、例えばモードロック色素レーザーやチタンサファイアレーザーが使用され、中心波長８００ｎｍの微弱なレーザーパルスを出力する。この微弱なレーザー光はパルス伸長器１３によりパルス幅が伸長され、ピーク強度を低下させたチャープパルス光となる。このチャープパルス光は、パルス選択器１４において再生増幅器１５に取り込まれ、特定の周回数キャビティー内を往復することで増幅されたのちに励起用レーザー１６と同期されてパルス選択がなされる。再生増幅器１５には例えばチタンサファイアレーザーが使用され、励起用レーザー１６であるＮｄ：ＹＡＧレーザーの第２高調波で励起され、前段増幅が行われる。前段増幅されたパルス光は主増幅器１７でさらに増幅される。主増幅器１７では、例えばチタンサファイアレーザーが使用され、前記と同様、励起用レーザー１８であるＮｄ：ＹＡＧレーザーの第２高調波で励起される。以上のようにして増幅されたレーザーパルスはパルス圧縮器１９でパルス幅が圧縮され、エネルギーのピーク強度が増大された中心波長８００ｎｍのレーザーパルスが得られる。
【０００６】
一方で、小型の医療用レーザー駆動イオン源のイオン生成用レーザーの実現が望まれている。このような医療用レーザー駆動イオン源のイオン生成用レーザーでは、高強度かつ高繰り返し運転が必須である。これを実現するためには、中心波長１０３０ｎｍのレーザー光の使用が望ましい。
【０００７】
しかしながら、図２に示すような従来のレーザー光発生装置１１のレーザー発振器１２として、中心波長１０３０ｎｍのレーザーパルスを発生するレーザーを用いた場合、以下に述べるように高強度高繰り返しの超短パルスレーザーを発生させることは不可能である。すなわち、上記のような従来のレーザー光発生装置では、増幅媒質にチタンサファイア結晶を用いており、この結晶を励起するためにはＮｄ：ＹＡＧレーザーの第二高調波（波長５３２ｎｍ）を用いている。中心波長１０３０ｎｍのレーザーパルスを、チタンサファイア結晶を用いた再生増幅器１５で増幅しようとした場合、利得が低いため、高強度のレーザーパルスを得ることができず、更に利得狭帯域化が起り、広帯域増幅ができず、超短パルス化は困難であった。また、再生増幅器１５に、Ｙｂイオンドープ・レーザー媒質を用いた場合も同様に、利得狭帯域化が起り、広帯域増幅ができず、パルス幅が短くならない。更に励起強度を上げるとＹｂイオンによる再吸収が起り、高強度化が妨げられるという問題があった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】”0.5-TW, 125-fs Ti:sapphire laser”, J. D. Kmetec et al., OPTICS LETTERS, Vol. 16, No. 13, pp1001-1003, 1991
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたもので、高強度高繰り返し及び超短パルスで中心波長１０３０ｎｍのレーザーパルスを発生させることができる小型のレーザー光発生装置を提供することを課題とする。
【００１０】
また、本発明は、医療用レーザー駆動イオン源のレーザー生成用レーザーとして好適なレーザー光発生装置を提供することをも課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明は、第１に、レーザー発振器から出力される中心波長１０３０ｎｍのレーザーパルスのパルス幅を伸長させ、パルス幅が伸長したレーザー光を光パラメトリックチャープパルス前段増幅器で増幅させた後、Ｙｂイオンドープ・レーザー媒質を備えた主増幅器に入射し、波長９４０ｎｍ又は９７５ｎｍで高繰り返し高エネルギーの励起用レーザー光を該レーザー媒質に照射することにより、さらにレーザー光の強度を増幅させ、増幅されたレーザー光のパルス幅を圧縮して、波長１０３０ｎｍの高強度高繰り返しの超短レーザーパルスを発生させることを特徴とするレーザー光発生方法を提供する。
【００１２】
第２に、上記第１の発明において、Ｙｂイオンドープ・レーザー媒質として、Ｙｂイオンドープ・ＹＡＧレーザー、Ｙｂイオンドープ・ガラス、Ｙｂイオンドープ・ＫＧＷ又はＹｂイオンドープ・セラミックを用いることを特徴とするレーザー光発生方法を提供する。
【００１３】
第３に、上記第２の発明において、Ｙｂイオンドープ・レーザー媒質としてＹｂイオンドープ・レーザー薄膜ディスクを用いることを特徴とするレーザー光発生方法を提供する。
【００１４】
第４に、中心波長１０３０ｎｍのレーザーパルスを出力するレーザー発振器と、レーザー発振器からのレーザー光のパルス幅を伸長させるパルス伸長器と、非線形光学結晶を備え、励起用パルスレーザー光の照射により、パルス伸長器からのレーザー光の強度を増幅する光パラメトリックチャープパルス前段増幅器と、Ｙｂイオンドープ・レーザー媒質を備え、波長９４０ｎｍ又は９７５ｎｍで高繰り返し高エネルギーの励起用レーザー光を該レーザー媒質に照射させることにより、光パラメトリックチャープパルス前段増幅器からのレーザー光の強度をさらに増幅させる主増幅器と、主増幅器からのレーザー光のパルス幅を圧縮して中心波長１０３０ｎｍの高強度高繰り返しの超短レーザーパルスを発生させるパルス圧縮器を有することを特徴とするレーザー光発生装置を提供する。
【００１５】
第５に、上記第４の発明において、Ｙｂイオンドープ・レーザー媒質が、Ｙｂイオンドープ・ＹＡＧレーザー、Ｙｂイオンドープ・ガラス、Ｙｂイオンドープ・ＫＧＷ又はＹｂイオンドープ・セラミックであることを特徴とするレーザー光発生装置を提供する。
【００１６】
第６に、上記第５の発明において、Ｙｂイオンドープ・レーザー媒質が、Ｙｂイオンドープ・レーザー薄膜ディスクであることを特徴とするレーザー光発生装置を提供する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、上記手法ないし構成を採用したので、広帯域増幅が可能となるため、高強度高繰り返し及び極短パルスで中心波長１０３０ｎｍのレーザーパルスを発生させることができる小型のレーザー光発生装置を提供することが可能となる。本発明のレーザー光発生装置は、高強度高繰り返し及び超短パルスのレーザーパルスを発生でき、小型化が可能なことから、特に医療用レーザー駆動イオン源のイオン生成用レーザーとして好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザー光発生装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【図２】従来のレーザー光発生装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００２０】
図１に、本発明の実施形態に係るレーザー光発生装置１の構成を模式的に示す。このレーザー光発生装置１は、基本的に、レーザー発振器２、パルス伸長器３、パルス選択器４、光パラメトリックチャープパルス前段増幅器（以下、ＯＰＣＰＡとも称す）５、前段増幅器励起用レーザー６、Ｙｂイオンドープ・レーザー媒質を備えた主増幅器７、主増幅器励起用レーザー８、パルス圧縮器９から構成される。
【００２１】
レーザー発振器２は、中心波長１０３０ｎｍの微弱なレーザーパルスを出力する。このレーザー光は非常に広いスペクトル幅（沢山の波長）を有している。このレーザー光はそのまま増幅器で増幅すると、強度が強くなりすぎて、増幅の途中で光学素子を破壊させるため、次段のパルス伸長器３でパルス幅を伸長させ、ピーク強度を低下させる。レーザー発振器２には、チタンサファイア、Ｎｄガラス、Ｙｂイオンドープ・レーザー媒質（ＹＡＧ、ガラス、ＫＧＷ、セラミック等）等を用いることができる。
【００２２】
パルス伸長器３は、レーザー発振器２からのレーザー光のパルス幅を伸長し、スペクトルを分散させることにより、時間的に引き伸ばした光であるチャープパルス光を発生させる。このチャープパルス光はパルス幅を伸長させたピーク強度を下げた光である。パルス伸長器３には、例えばグレーティング、プリズム、負の分散を有するガラスブロックストレッチャー等を用いることができる。
【００２３】
パルス選択器４は、ＯＰＣＰＡ５の励起用レーザーと同期させるためパルスの選択を行う。パルス選択器４としては、電圧を印加した際に偏光方向が９０度回転するポッケルス効果を利用したポッケルスセル等を用いることができる。パルス選択器４はレーザー発振器２とパルス伸長器３の間に設けてもよい。
【００２４】
ＯＰＣＰＡ５は、光パラメトリック増幅を利用してパルス選択器４からのチャープパルス光の強度を増幅させる。そのため、ＯＰＣＰＡ５には、非線形光学結晶が使用される。この非線形光学結晶としては、ＢＢＯ（β−ＢａＢ２Ｏ４）、ＫＤＰ（ＫＨ２ＰＯ４）、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４）、ＹＣＯＢ（ＹＣａ４Ｏ（ＢＯ３）３）、ＬＢＯ（ＬｉＢ３Ｏ５）、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）、ＣＢＯ（ＣｓＢ３Ｏ５）結晶等を用いることができる。ＯＰＣＰＡ５では、パルス選択器４からのチャープパルス光をシグナル光として入力するとともに、前段増幅器励起用レーザー６からのパルスレーザー光をポンプ光として入力すると、ポンプ光はシグナル光とアイドラー光の２つの光にわかれる。そしてパルス選択器４からのシグナル光は、ポンプ光からわかれたシグナル光と位相整合条件（入射するポンプ光と結晶軸のなす角度により変化）が特定の条件となったときに、ポンプ光からのシグナル光のエネルギーがパルス選択器４からのシグナル光に移行し、エネルギー増幅が行われ、強度が増幅したレーザー光として出力される。ＯＰＣＰＡ５からの出力光は、例えばパルス幅２００ｐｓ〜２ｎｓのようなレーザーパルス光となる。このＯＰＣＰＡ５による増幅では非線形光学結晶を用いた光パラメトリック過程を利用しているため従来の再生増幅法におけるようなノイズ部分の増幅が無く、高コントラスト化が可能であり、熱蓄積の問題がないため高繰り返し化が実現できる。更に、非線形光学結晶の角度を最適化することでスペクトル幅の狭帯域化を抑制することができ、広帯域増幅が可能となる。また、Ｙｂイオンドープ・レーザー媒質を用いることなく増幅できるので、Ｙｂイオンによる再吸収の問題がない。更にまた、パルス選択器４からのレーザー光は非線形光学結晶を１回しか通過しないため、高品質なビーム形状を有して増幅できる等の利点がある。
【００２５】
前段増幅器励起用レーザー６は、ＯＰＣＰＡ５の非線形光学結晶を励起するためのポンプレーザー光を出射する。このポンプレーザー光としては、たとえばＮｄ：ＹＡＧレーザーの第２高調波等が使用される。
【００２６】
Ｙｂイオンドープ・レーザー媒質を備えた主増幅器７は、ＯＰＣＰＡ５から送られてきたパルス光を、多重パス増幅によりさらに高強度化させる。主増幅器７のＹｂイオンドープ・レーザー媒質は、高繰り返し（１００Ｈｚ程度）、高エネルギー（１パルス当たり１００ｍＪ以上程度）の波長９４０ｎｍ又は９７５ｎｍの励起用レーザー光がポンプ光として照射され、高繰り返し動作で高利得が得られる。Ｙｂイオンドープ・レーザー媒質としては、Ｙｂイオンドープ・ＹＡＧ、Ｙｂイオンドープ・ガラス、Ｙｂイオンドープ・ＫＧＷ、Ｙｂイオンドープ・セラミック等を用いることができる。Ｙｂイオンドープ・レーザー媒質としては、熱除去性の観点から、薄膜ディスクを好ましく用いることができるが、ケースによってはバルク状のものも使用可能である。薄膜ディスクを用いる場合は、厚みが１００μｍ〜１ｍｍ程度、直径はビーム径に応じて設定されるが、例えば５ｍｍから数ｃｍ程度のものとすることができる。より冷却効果を高めるために水冷を利用することもできる。
【００２７】
主増幅器励起用レーザー８は、主増幅器７のＹｂイオンドープ・レーザー媒質を励起するために波長９４０ｎｍ又は９７５ｎｍのレーザー光をポンプ光として出射する。このレーザー光はパルス幅０．５ｍｓ〜２．０ｍｓ、１パルスあたりのエネルギー１００ｍＪ程度の高繰り返し（１００Ｈｚ程度）、高強度のものである。主増幅器励起用レーザー８には、たとえば準連続発振のレーザーダイオード（波長９４０ｎｍ又は９７５ｎｍ）等を用いることができる。このようなものとしては、例えばＩｎＧａＡｓ等の半導体レーザーが使用できる。
【００２８】
パルス圧縮器９は、主増幅器７からのレーザー光のパルス幅を圧縮して５００ｆｓ以下程度とし、高強度高繰り返しで、中心波長１０３０ｎｍの超短パルスレーザー光を発生させることが可能となる。パルス圧縮器９には、パルス伸長器３で用いたグレーティングを逆に設置したもの等を用いることができる。
【００２９】
ちなみに本発明によれば、１パルス当たりのエネルギー５０ｍＪ以上、超短パルス化５００ｆｓ以下、繰り返し度１０Ｈｚ以上が期待される。更に、大型（１０ｃｍ程度）のセラミック薄膜ディスク（Ｙｂイオンドープ・レーザー媒質）を複数の高エネルギー主増幅器励起用レーザーで励起することで、数十Ｊレベルのエネルギーで最大繰り返し１００Ｈｚまで期待できる。
【００３０】
以上のようにして、高強度化、高繰り返し度及び超短パルス化が図られたレーザー光が得られることとなる。また、このようなレーザー光を発生する装置は、特に医療用レーザー駆動イオン源のイオン生成用レーザーに好適なものとなる。
【００３１】
ここで、本発明によるレーザー光発生装置の一構成例を述べると、レーザー発振器２にＹｂイオンドープ・ＹＡＧレーザー、パルス伸長器３にグレーティング、パルス選択器４にポッケルスセル、ＯＰＣＰＡ５にＢＢＯ、ＯＰＣＰＡ励起用レーザー６にＮｄ：ＹＡＧレーザー（第２高調波）、主増幅器７にＹｂイオンドープ・ＹＡＧレーザーで薄膜ディスクとしたもの（水冷）、主増幅器励起用レーザー８にＩｎＧａＡｓの半導体レーザー、パルス圧縮器９にグレーティングを用いた構成とすることができる。
【００３２】
なお、光パラメトリックチャープパルス前段増幅器ならびに主増幅器は複数段構成可能である。また、中心波長１０３０ｎｍに対して±０．５ｎｍの変動は問題なく、±１ｎｍでも対応可能であり、±２ｎｍでも使用可能である。
【符号の説明】
【００３３】
本発明による、
１    レーザー光発生装置
２    レーザー発振器
３    パルス伸長器
４    パルス選択器
５    光パラメトリックチャープパルス前段増幅器（ＯＰＣＰＡ）
６    前段増幅器励起用レーザー
７    Ｙｂイオンドープ・レーザー媒体を備えた主増幅器
８    主増幅器励起用レーザー
９    パルス圧縮器
従来技術による、
１１    レーザー光発生装置
１２    レーザー発振器
１３    パルス伸長器
１４    パルス選択器
１５    再生増幅器
１６    再生増幅器励起用レーザー
１７    主増幅器
１８    主増幅器励起用レーザー
１９    パルス圧縮器
【図１】
2011028043.tif 000003
【図２】
2011028043.tif 000004