(57)【要約】【課題】超高ピーク出力0.1TW〜1PＷの高強度パルスレーザー光を繰り返し入射しても損傷しない回折格子素子，高強度パルスレーザー光を回折する方法，該高強度パルスレーザー光からプレパルスを除去する方法，該高強度パルスレーザー光を圧縮する方法，該高強度パルスレーザー光の位相共役光を得る方法，チャープパルスレーザー光のスペクトル位相共役光を得る方法を提供する。【解決手段】複数の超高ピーク出力0.1TW〜1PＷの高強度パルスレーザー光を、気体中、液体中もしくは固体透明媒質中で交叉するように照射することにより光束干渉が起こって生成したプラズマの周期的空間密度分布からなる過渡回折格子素子。該過渡回折格子素子を利用して、(1)高強度パルスレーザー光を回折する(2)該高強度パルスレーザー光からプレパルスを除去する(3)該高強度パルスレーザー光を圧縮する(4)該高強度パルスレーザー光の位相共役光を得る(5)チャープパルスレーザー光のスペクトル位相共役光を得る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの高強度ポンプパルスレーザー光を、気体中もしくは液体中で交叉するように照射することにより光束干渉が起こって生成したプラズマの周期的空間密度分布を過渡回折格子として用いて、高強度ポンプパルスレーザー光の自己回折光を発現させることを特徴とする高強度パルスレーザー光の回折方法。
【請求項２】
前記高強度ポンプパルスレーザー光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであり、前記自己回折光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであることを特徴とする請求項１記載の高強度パルスレーザー光の回折方法。
【請求項３】
２つの高強度ポンプパルスレーザー光を、気体中もしくは液体中で交叉するように照射することにより光束干渉が起こって生成したプラズマの周期的空間密度分布を過渡回折格子として用いて、該過渡回折格子に高強度プローブパルスレーザー光を入射し、高強度プローブパルスレーザー光の回折光を発現させることを特徴とする高強度パルスレーザー光の回折方法。
【請求項４】
前記高強度ポンプパルスレーザー光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであり、前記高強度プローブパルスレーザー光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであり、前記回折光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであることを特徴とする請求項３記載の高強度パルスレーザー光の回折方法。
【請求項５】
気体が、希ガスまたは窒素ガスであり、液体が水またはエタノールであることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の高強度パルスレーザー光の回折方法。
【請求項６】
２つの高強度ポンプパルスレーザー光を、固体透明媒質中で交叉するように照射することにより光束干渉を起こして固体透明媒質をアブレーションさせ、該交叉位置付近に生成したプラズマの周期的空間密度分布を過渡回折格子として用いて、高強度ポンプパルスレーザー光の自己回折光を発現させることを特徴とする高強度パルスレーザー光の回折方法。
【請求項７】
前記高強度ポンプパルスレーザー光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであり、前記自己回折光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであることを特徴とする請求項６記載の高強度パルスレーザー光の回折方法。
【請求項８】
２つの高強度ポンプパルスレーザー光を、固体透明媒質中で交叉するように照射することにより光束干渉を起こして固体透明媒質をアブレーションさせ、該交叉位置付近に生成したプラズマの周期的空間密度分布を過渡回折格子として用いて、該過渡回折格子に高強度プローブパルスレーザー光を入射し、高強度プローブパルスレーザー光の回折光を発現させることを特徴とする高強度パルスレーザー光の回折方法。
【請求項９】
前記高強度ポンプパルスレーザー光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであり、前記高強度プローブパルスレーザー光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであり、前記回折光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであることを特徴とする請求項８記載の高強度パルスレーザー光の回折方法。
【請求項１０】
固体透明媒質が、氷、ガラス、石英、BK7、サファイアまたは透明プラスチックであることを特徴とする請求項６〜請求項９のいずれか１項記載の高強度パルスレーザー光の回折方法。
【請求項１１】
２つの高強度ポンプパルスレーザー光を、気体中もしくは液体中で交叉するように照射することにより光束干渉が起こって生成したプラズマの周期的空間密度分布からなること特徴とする過渡回折格子素子。
【請求項１２】
気体が、希ガスまたは窒素ガスであり、液体が水またはエタノールであることを特徴とする請求項１１記載の過渡回折格子素子。
【請求項１３】
２つの高強度ポンプパルスレーザー光を、固体透明媒質中で交叉するように照射することにより光束干渉が起こって固体透明媒質がアブレーションして該交叉位置付近に生成したプラズマの周期的空間密度分布からなること特徴とする過渡回折格子素子。
【請求項１４】
固体透明媒質が、氷、ガラス、石英、BK7、サファイアまたは透明プラスチックであることを特徴とする請求項１３記載の過渡回折格子素子。
【請求項１５】
前記２つの高強度ポンプパルスレーザー光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであることを特徴とする請求項１１〜請求項１４のいずれか１項記載の過渡回折格子素子。
【請求項１６】
高強度ポンプパルスレーザー光とプレパルスを伴う高強度プローブパルスレーザー光とを、気体中もしくは液体中で交叉するように照射することにより光束干渉が起こって生成したプラズマの周期的空間密度分布を過渡回折格子として用いて光波混合を行い、プレパルスフリーな高強度パルスレーザー光を回折光として発現させることを特徴とする高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法。
【請求項１７】
気体が、希ガスまたは窒素ガスであり、液体が水またはエタノールであることを特徴とする請求項１６記載の高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法。
【請求項１８】
高強度ポンプパルスレーザー光とプレパルスを伴う高強度プローブパルスレーザー光とを、固体透明媒質中で交叉するように照射することにより光束干渉が起こって固体透明媒質がアブレーションして該交叉位置付近に生成したプラズマの周期的空間密度分布を過渡回折格子として用いて光波混合を行い、プレパルスフリーな高強度パルスレーザー光を回折光として発現させることを特徴とする高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法。
【請求項１９】
固体透明媒質が、氷、ガラス、石英、BK7、サファイアまたは透明プラスチックであることを特徴とする請求項１８記載の高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法。
【請求項２０】
前記高強度ポンプパルスレーザー光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであり、前記高強度プローブパルスレーザー光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであり、前記回折光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであることを特徴とする請求項１６〜請求項１９のいずれか１項記載の高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法。
【請求項２１】
高強度ポンプパルスレーザー光と高強度プローブパルスレーザー光とを、気体中もしくは液体中で交叉するように照射することにより光束干渉が起こって生成したプラズマの周期的空間密度分布からなる過渡回折格子を一対対向して配置するように形成させること、該過渡回折格子対の第一の過渡回折格子にチャープパルスレーザー光を入射し、該過渡回折格子からの回折光である高強度パルスレーザー光を、第二の過渡回折格子に入射させて第二の過渡回折格子からパルス圧縮された高強度パルスレーザー光を回折させることからなることを特徴とするチャープパルスレーザー光の圧縮方法。
【請求項２２】
気体が、希ガスまたは窒素ガスであり、液体が水またはエタノールであることを特徴とする請求項２１記載のチャープパルスレーザー光の圧縮方法。
【請求項２３】
高強度ポンプパルスレーザー光と高強度プローブパルスレーザー光とを、固体透明媒質中で交叉するように照射することにより光束干渉が起こって固体透明媒質がアブレーションして該交叉位置付近に生成したプラズマの周期的空間密度分布からなる過渡回折格子を一対対向して配置するように形成させること、該過渡回折格子対の第一の過渡回折格子にチャープパルスレーザー光を入射し、該過渡回折格子からの回折光である高強度パルスレーザー光を、第二の過渡回折格子に入射させて第二の過渡回折格子からパルス圧縮された高強度パルスレーザー光を回折させることからなることを特徴とするチャープパルスレーザー光の圧縮方法。
【請求項２４】
固体透明媒質が、氷、ガラス、石英、BK7、サファイアまたは透明プラスチックであることを特徴とする請求項２３記載のチャープパルスレーザー光の圧縮方法。
【請求項２５】
前記高強度ポンプパルスレーザー光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであり、前記高強度プローブパルスレーザー光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであり、前記回折光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであることを特徴とする請求項２１〜請求項２４のいずれか１項記載のチャープパルスレーザー光の圧縮方法。
【請求項２６】
高強度前進ポンプパルスレーザー光と高強度後進ポンプパルスレーザー光と高強度プローブパルスレーザー光とを、気体中もしくは液体中で交叉するように照射することにより４光波混合を行い、前記３つのレーザー光の光波干渉によって生成したプラズマの周期的空間密度分布を過渡回折格子として用い前記高強度プローブパルスレーザー光に対する位相共役光を発生させることを特徴とする位相共役光の生成方法。
【請求項２７】
気体が、希ガスまたは窒素ガスであり、液体が水またはエタノールであることを特徴とする請求項２６記載の位相共役光の生成方法。
【請求項２８】
高強度前進ポンプパルスレーザー光と高強度後進ポンプパルスレーザー光と高強度プローブパルスレーザー光とを、固体透明媒質中で交叉するように照射することにより４光波混合を行い、前記３つのレーザー光の光波干渉によって固体透明媒質がアブレーションして該交叉位置付近に生成したプラズマの周期的空間密度分布を過渡回折格子として用い前記高強度プローブパルスレーザー光に対する位相共役光を発生させることを特徴とする位相共役光の生成方法。
【請求項２９】
固体透明媒質が、氷、ガラス、石英、BK7、サファイアまたは透明プラスチックであることを特徴とする請求項２８記載の位相共役光の生成方法。
【請求項３０】
前記高強度前進ポンプパルスレーザー光と前記高強度後進ポンプパルスレーザー光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであり、前記高強度プローブパルスレーザー光は、極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであることを特徴とする請求項２６〜請求項２９のいずれか１項記載の位相共役光の生成方法。
【請求項３１】
正のチャープパルスレーザー光とフーリエ限界パルスレーザー光を、気体中もしくは液体中で、対向するように照射することにより光束干渉が起こって生成したプラズマの周期的空間密度分布からなる過渡回折格子を形成させ、該過渡回折格子より負のチャープパルスレーザー光を発生させることを特徴とするスペクトル位相共役光の生成方法。
【請求項３２】
気体が、希ガスまたは窒素ガスであり、液体が水またはエタノールであることを特徴とする請求項３１記載のスペクトル位相共役光の生成方法。
【請求項３３】
正のチャープパルスレーザー光とフーリエ限界パルスレーザー光を、固体透明媒質中で、対向するように照射することにより光束干渉が起こって固体透明媒質がアブレーションして該交叉位置付近に生成したプラズマの周期的空間密度分布からなる過渡回折格子を形成させ、該過渡回折格子より負のチャープパルスレーザー光を発生させることを特徴とするスペクトル位相共役光の生成方法。
【請求項３４】
固体透明媒質が、氷、ガラス、石英、BK7、サファイアまたは透明プラスチックであることを特徴とする請求項３３記載のスペクトル位相共役光の生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ピークパワーがTWを超える高強度パルスレーザー光は、その極限的な光強度を用いてプラズマを発生させることで高次高調波発生、レーザー加速、レーザー核融合などへ応用できる。本発明は、これらの利用に供する高強度パルスレーザー光の回折方法、過渡回折格子素子、特には高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法、高強度パルスレーザー光の圧縮方法、位相共役光生成方法およびスペクトル位相共役光の生成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高強度パルスレーザー光を通常の固体光学素子により回折させようとしても、ほとんどの非線形光学素子の光損傷閾値は1GW/cm2程度であり、超高ピーク出力0.1TW〜1PWの高強度レーザー光を集光、照射するとエネルギー密度が10TW/cm2〜100PW/cm2となるので、通常の固体光学素子は損傷してしまい光学素子としての構造が壊れ、光学的機能が損なわれてしまうという問題がある。
【０００３】
高次高調波発生、レーザー加速、レーザー核融合、X線発生などへの利用に供する高強度パルスレーザー光において、高強度パルスレーザー誘起プラズマは、電子、イオン、X線等の高エネルギー粒子を発生する一つの効果的な手法である。それによって発生する粒子はピコ秒からサブピコ秒の時間幅を持つ。この高エネルギー粒子発生過程は高強度レーザーパルスに先行するレーザープレパルスに強く依存する。高強度パルスレーザー光において、プレパルスがメインパルスの10-8程度であっても、10TW級レーザー光をターゲットに集光した場合、そのメインパルスの光強度は簡単に0.1PW／cm2〜102PW／cm2に到達し、プレパルスの光強度はTW／cm2オーダーとなり、プレパルスだけで寄生的なプラズマが生成してしまう。この場合、プレパルスが生成する寄生プラズマがシールドとなりメインパルスがターゲットに効率よく届かず、所望のプラズマが生成しない。
【０００４】
したがって、高強度パルスレーザー誘起プラズマにおいて、最も重要なのは、単なる光強度ではなく、ASE（Amplified Spontaneous Emission）などの不要なプレパルスの抑制をはじめとする時間制御である。プレパルスの抑制方法には、ポッケルスセル、増幅用種パルスの整形などいくつか存在し、最近では、薄膜上に生成したプラズマと高強度フェムト秒レーザーとの相互作用を用いたプレパルス制御が知られている（非特許文献1）。また、このプレパルスを抑制する目的で、超高ピーク出力0.1TW〜1PWの高強度レーザー光をガラスやシリコン基板に集光、照射するとエネルギー密度が10TW/cm2〜100PW/cm2になるので、密度の濃いプラズマが生成する。この表皮効果を用いたプラズマミラーが提案されている（非特許文献２）。しかしながら、プラズマミラーでは、分散補償や光波の分岐ができない。
【０００５】
また一方、従来、低強度パルスレーザー光において、超短パルスレーザーを用いて光波混合を行うと、過渡的な回折格子を介して現れる出力光パルスは入射光パルスの３次強度相関波形として得られ、入射光パルスに付随するインコヒーレントなプレパルス成分が除去され、バッググランドフリーな出力光パルスを生成できるコヒーレントゲート法が知られている（非特許文献３）。しかしながら、超高ピーク出力0.1TW〜1PW（集光、照射されたときにエネルギー密度が10TW/cm2〜100PW/cm2になる）の高強度パルスレーザー光においては、実現されていない。
【０００６】
また更には、近年、近赤外領域のフェムト秒レーザーパルスの2光束干渉により、ガラス表面近傍に回折格子を書き込めることが見出されている（非特許文献４、特許文献１）。光源として中心波長800ｎｍ，パルス幅130ｆｓの増幅チタンサファイアレーザーパルスを用い、レーザーパルスをビームスプリッターにより等しい強度の2つのビームに分け、焦点距離150ｎｍのレンズにより試料内部に同じ角度で集光している。時間的にも空間的にも重なったレーザーパルスが、シリカガラス表面に集光され、干渉縞が形成されている。ガラス表面においては、干渉縞の強度分布に対応した周期構造が作製できる。しかしながら、非特許文献４、特許文献１に記載されている発明は、あくまでもガラスに周期的構造を形成するものであり、これら文献の方法で形成された回折格子に超高ピーク出力0.1TW〜1PWの高強度パルスレーザー光を集光すると、エネルギー密度が10TW/cm2〜100PW/cm2となるので、アブレーションが起こり損傷してしまい光学素子としての構造が壊れ、光学的機能が損なわれてしまう。
【０００７】
レーザー光のパルス圧縮の技術は、線形の周波数変化（時間とともに周波数が線形に増加する）を有するレーザーパルスを、異常分散を有する媒質（異常分散媒体）に入射させて圧縮するものである。異常分散媒体においては、パルスの前方部分に位置する周波数の低い部分の伝搬速度は遅くなり、光パルスは圧縮されることになる。異常分散媒体として２枚の平行に配置した一対の回折格子を用いる方法がある。この方法は、E.Treacyによって提案されている（非特許文献５）。しかし、超高ピーク出力0.1TW〜1PW（エネルギー密度10TW/cm2〜100PW/cm2）の高強度パルスレーザー光を固体の回折格子に集光、照射すると、エネルギー密度が10TW/cm2〜100PW/cm2となるので、アブレーションが起こり損傷してしまう。
【０００８】
位相共役光とは、ある光に対して空間的に同一の波面を持って、逆方向に進行する光のことを言う。また、位相共役光を発生させる素子を位相共役器という。光が伝搬している間に位相擾乱物体によって空間的な波面の歪みを受けても、位相共役光として同一の光路上を戻されると、戻ってきた光は、その空間的な歪みを逆方向に受けるため、歪みが打ち消され、元の波面に戻る。位相共役光は、いろいろな非線形現象によって発生することが知られている。その一つがフォトリフラクティブ効果であり、フォトリフラクティブ効果は、フォトリフラクティブ結晶等のフォトリフラクティブ媒質に光を照射したときに、その媒質中に空間電界が発生し、ポッケルス効果を介して、物質の屈折率が変化する現象である。位相共役光を発生させるためには、大きく分けて、縮退４光波混合、自己励起型、相互励起型と呼ばれる方法がある。しかし、超高ピーク出力0.1TW〜1PWの高強度パルスレーザー光を固体のフォトリフラクティブ結晶等に集光、照射すると、エネルギー密度が10TW/cm2〜100PW/cm2となるので、アブレーションが起こり損傷してしまう。
【０００９】
【非特許文献１】薄膜プラズマ中での伝播による高強度フェムト秒レーザーのプリパルス制御，Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan and the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)
【非特許文献２】Ch. Ziener, J. Appl. Phys. 93, 768 (2003)
【非特許文献３】S. C. W. Hyde, et.al., Opt. Lett. 20 (1995) 1131-1133
【非特許文献４】K. Kawamura, T. Ogawa, N. Sarukura, M. Hirano, H. Hosono: Fabrication of surface relief gratings on transparent dielectric materials by two-beam holography method using infrared  femtosecond  laser  pulses; Appl. Phys. B (Rapid Communication), 71, 119, (2000).
【非特許文献５】Optical pulse compression with diffraction gratings, (IEEE,J.QE,vol.QE−5,page454−458,1969)
【特許文献１】特開２００３−５７４２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで、本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、
（１）超高ピーク出力0.1TW〜1PWの高強度パルスレーザー光の回折方法
（２）超高ピーク出力0.1TW〜1PWの高強度パルスレーザー光からプレパルスを除去する方法（高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法）
（３）超高ピーク出力0.1TW〜1PW（集光、照射されたときにエネルギー密度が10TW/cm2〜100PW/cm2になる）の高強度パルスレーザー光を繰り返し入射してもアブレーションの問題がない過渡回折格子素子
（４）チャープパルスレーザー光を圧縮する方法
（５）超高ピーク出力0.1TW〜1PWの高強度パルスレーザー光の位相共役光を得る方法、および
（６）チャープパルスレーザー光のスペクトル位相共役光を得る方法
を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、
［１］２つの高強度ポンプパルスレーザー光を、気体中もしくは液体中で交叉するように照射することにより光束干渉が起こって生成したプラズマの周期的空間密度分布を過渡回折格子として用いて、高強度ポンプパルスレーザー光の自己回折光を発現させることを特徴とする高強度パルスレーザー光の回折方法。
［２］前記高強度ポンプパルスレーザー光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであり、前記自己回折光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであることを特徴とする［１］記載の高強度パルスレーザー光の回折方法。
［３］２つの高強度ポンプパルスレーザー光を、気体中もしくは液体中で交叉するように照射することにより光束干渉が起こって生成したプラズマの周期的空間密度分布を過渡回折格子として用いて、該過渡回折格子に高強度プローブパルスレーザー光を入射し、高強度プローブパルスレーザー光の回折光を発現させることを特徴とする高強度パルスレーザー光の回折方法。
［４］前記高強度ポンプパルスレーザー光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであり、前記高強度プローブパルスレーザー光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであり、前記回折光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであることを特徴とする［３］記載の高強度パルスレーザー光の回折方法。
［５］気体が、希ガスまたは窒素ガスであり、液体が水またはエタノールであることを特徴とする［１］〜［４］のいずれかに記載の高強度パルスレーザー光の回折方法。
［５−１］前記希ガスもしくは窒素ガスは、真空チャンバー中で噴射されていることを特徴とする［５］記載の高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法。
［５−２］前記希ガスはネオン（Ｎｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス、またはキセノン（Ｘｅ）ガスであることを特徴とする［５］または［５−１］記載の高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法。
［５−３］前記液体は、流れている液体であることを特徴とする［５］記載の高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法。
［６］２つの高強度ポンプパルスレーザー光を、固体透明媒質中で交叉するように照射することにより光束干渉を起こして固体透明媒質をアブレーションさせ、該交叉位置付近に生成したプラズマの周期的空間密度分布を過渡回折格子として用いて、高強度ポンプパルスレーザー光の自己回折光を発現させることを特徴とする高強度パルスレーザー光の回折方法。
［７］前記高強度ポンプパルスレーザー光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであり、前記自己回折光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであることを特徴とする［６］記載の高強度パルスレーザー光の回折方法。
［８］２つの高強度ポンプパルスレーザー光を、固体透明媒質中で交叉するように照射することにより光束干渉を起こして固体透明媒質をアブレーションさせ、該交叉位置付近に生成したプラズマの周期的空間密度分布を過渡回折格子として用いて、該過渡回折格子に高強度プローブパルスレーザー光を入射し、高強度プローブパルスレーザー光の回折光を発現させることを特徴とする高強度パルスレーザー光の回折方法。
［９］前記高強度ポンプパルスレーザー光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであり、前記高強度プローブパルスレーザー光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであり、前記回折光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであることを特徴とする［８］記載の高強度パルスレーザー光の回折方法。
［１０］固体透明媒質が、氷、ガラス、石英、BK7、サファイアまたは透明プラスチックであることを特徴とする［６］〜［９］のいずれかに記載の高強度パルスレーザー光の回折方法。
［１１］２つの高強度ポンプパルスレーザー光を、気体中もしくは液体中で交叉するように照射することにより光束干渉が起こって生成したプラズマの周期的空間密度分布からなること特徴とする過渡回折格子素子。
［１２］気体が、希ガスまたは窒素ガスであり、液体が水またはエタノールであることを特徴とする［１１］記載の過渡回折格子素子。
［１２−１］前記希ガスもしくは窒素ガスは、真空チャンバー中で噴射されていることを特徴とする［１２］記載の高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法。
［１２−２］前記希ガスはネオン（Ｎｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス、またはキセノン（Ｘｅ）ガスであることを特徴とする［１２］または［１２−１］記載の高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法。
［１２−３］前記液体は、流れている液体であることを特徴とする［１２］記載の高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法。
［１３］２つの高強度ポンプパルスレーザー光を、固体透明媒質中で交叉するように照射することにより光束干渉が起こって固体透明媒質がアブレーションして該交叉位置付近に生成したプラズマの周期的空間密度分布からなること特徴とする過渡回折格子素子。
［１４］固体透明媒質が、氷、ガラス、石英、BK7、サファイアまたは透明プラスチックであることを特徴とする［１３］記載の過渡回折格子素子。
［１５］前記２つの高強度ポンプパルスレーザー光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであることを特徴とする［１１］、［１２］、［１２−１］、［１２−２］、［１２−３］、［１３］、［１４］のいずれかに記載の過渡回折格子素子。
［１６］高強度ポンプパルスレーザー光とプレパルスを伴う高強度プローブパルスレーザー光とを、気体中もしくは液体中で交叉するように照射することにより光束干渉が起こって生成したプラズマの周期的空間密度分布を過渡回折格子として用いて光波混合を行い、プレパルスフリーな高強度パルスレーザー光を回折光として発現させることを特徴とする高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法。
［１６−１］回折光が出現する方向は、前記高強度ポンプパルスレーザー光、前記高強度プローブパルスレーザー光および回折光の波数ベクトルをそれぞれｋ２、ｋ１、ｋｄとするとき、位相整合条件ｋｄ〜ｋ２＋（ｋ２−ｋ１）を満たすように調整されることを特徴とする［１６］記載の高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法。なお、式中の「〜」はニアリーイコールの意である。
［１７］気体が、希ガスまたは窒素ガスであり、液体が水またはエタノールであることを特徴とする［１６］または［１６−１］記載の高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法。
［１７−１］前記希ガスもしくは窒素ガスは、真空チャンバー中で噴射されていることを特徴とする［１７］記載の高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法。
［１７−２］前記希ガスはネオン（Ｎｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス、またはキセノン（Ｘｅ）ガスであることを特徴とする［１７］または［１７−１］記載の高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法。
［１７−３］前記液体は、流れている液体であることを特徴とする［１７］記載の高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法。
［１８］高強度ポンプパルスレーザー光とプレパルスを伴う高強度プローブパルスレーザー光とを、固体透明媒質中で交叉するように照射することにより光束干渉が起こって固体透明媒質がアブレーションして該交叉位置付近に生成したプラズマの周期的空間密度分布を過渡回折格子として用いて光波混合を行い、プレパルスフリーな高強度パルスレーザー光を回折光として発現させることを特徴とする高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法。
［１８−１］回折光が出現する方向は、前記高強度ポンプパルスレーザー光、前記高強度プローブパルスレーザー光および回折光の波数ベクトルをそれぞれｋ２、ｋ１、ｋｄとするとき、位相整合条件ｋｄ〜ｋ２＋（ｋ２−ｋ１）を満たすように調整されることを特徴とする［１８］記載の高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法。なお、式中の「〜」はニアリーイコールの意である。
［１９］固体透明媒質が、氷、ガラス、石英、BK7、サファイアまたは透明プラスチックであることを特徴とする［１８］記載の高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法。
［２０］前記高強度ポンプパルスレーザー光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであり、前記高強度プローブパルスレーザー光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであり、前記回折光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであることを特徴とする［１６］、［１６−１］、［１７］、［１７−１］、［１７−２］、［１７−３］、［１８］、［１８−１］、［１９］のいずれかに記載の高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法。
［２１］高強度ポンプパルスレーザー光と高強度プローブパルスレーザー光とを、気体中もしくは液体中で交叉するように照射することにより光束干渉が起こって生成したプラズマの周期的空間密度分布からなる過渡回折格子を一対対向して配置するように形成させること、該過渡回折格子対の第一の過渡回折格子にチャープパルスレーザー光を入射し、該過渡回折格子からの回折光である高強度パルスレーザー光を、第二の過渡回折格子に入射させて第二の過渡回折格子からパルス圧縮された高強度パルスレーザー光を回折させることからなることを特徴とするチャープパルスレーザー光の圧縮方法。
［２１−１］前記回折光が出現する方向は、前記高強度ポンプパルスレーザー光、前記高強度プローブパルスレーザー光および回折光の波数ベクトルをそれぞれｋ２、ｋ１、ｋｄとするとき、位相整合条件ｋｄ〜ｋ２＋（ｋ２−ｋ１）を満たすように調整されることを特徴とする［２１］記載のチャープパルスレーザー光の圧縮方法。
［２２］気体が、希ガスまたは窒素ガスであり、液体が水またはエタノールであることを特徴とする［２１］または［２１−１］記載のチャープパルスレーザー光の圧縮方法。
［２２−１］前記希ガスもしくは窒素ガスは、真空チャンバー中で噴射されていることを特徴とする［２２］記載のチャープパルスレーザー光の圧縮方法。
［２２−２］前記希ガスはネオン（Ｎｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス、またはキセノン（Ｘｅ）ガスであることを特徴とする［２２］または［２２−１］記載のチャープパルスレーザー光の圧縮方法。
［２２−３］前記液体は、流れている液体であることを特徴とする［２２］記載のチャープパルスレーザー光の圧縮方法。
［２３］高強度ポンプパルスレーザー光と高強度プローブパルスレーザー光とを、固体透明媒質中で交叉するように照射することにより光束干渉が起こって固体透明媒質がアブレーションして該交叉位置付近に生成したプラズマの周期的空間密度分布からなる過渡回折格子を一対対向して配置するように形成させること、該過渡回折格子対の第一の過渡回折格子にチャープパルスレーザー光を入射し、該過渡回折格子からの回折光である高強度パルスレーザー光を、第二の過渡回折格子に入射させて第二の過渡回折格子からパルス圧縮された高強度パルスレーザー光を回折させることからなることを特徴とするチャープパルスレーザー光の圧縮方法。
［２３−１］前記回折光が出現する方向は、前記高強度ポンプパルスレーザー光、前記高強度プローブパルスレーザー光および回折光の波数ベクトルをそれぞれｋ２、ｋ１、ｋｄとするとき、位相整合条件ｋｄ〜ｋ２＋（ｋ２−ｋ１）を満たすように調整されることを特徴とする［２３］記載のチャープパルスレーザー光の圧縮方法。
［２４］固体透明媒質が、氷、ガラス、石英、BK7、サファイアまたは透明プラスチックであることを特徴とする［２３］または［２３−１］記載のチャープパルスレーザー光の圧縮方法。
［２５］前記高強度ポンプパルスレーザー光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであり、前記高強度プローブパルスレーザー光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであり、前記回折光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであることを特徴とする［２１］、［２１−１］、［２２］、［２２−１］、［２２−２］、［２２−３］、［２３］、［２３−１］、［２４］のいずれかに記載のチャープパルスレーザー光の圧縮方法。
［２６］高強度前進ポンプパルスレーザー光と高強度後進ポンプパルスレーザー光と高強度プローブパルスレーザー光とを、気体中もしくは液体中で交叉するように照射することにより４光波混合を行い、前記３つのレーザー光の光波干渉によって生成したプラズマの周期的空間密度分布を過渡回折格子として用い前記高強度プローブパルスレーザー光に対する位相共役光を発生させることを特徴とする位相共役光の生成方法。
［２６−１］前記位相共役光が出現する方向は、高強度プローブパルスレーザー光、高強度前進ポンプパルスレーザー光、高強度後進ポンプパルスレーザー光および位相共役光の波数ベクトルをそれぞれｋ１、ｋfp、ｋbp、ｋｄとするとき、位相整合条件ｋｄ＝ｋfp＋ｋbp−ｋ１を満たすように調整されることを特徴とする［２６］いずれかに記載の位相共役光の生成方法。
［２７］気体が、希ガスまたは窒素ガスであり、液体が水またはエタノールであることを特徴とする［２６］または［２６−１］記載の位相共役光の生成方法。
［２７−１］前記希ガスもしくは窒素ガスは、真空チャンバー中で噴射されていることを特徴とする［２７］記載の位相共役光の生成方法。
［２７−２］前記希ガスはネオン（Ｎｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス、またはキセノン（Ｘｅ）ガスであることを特徴とする［２７］または［２７−１］記載の位相共役光の生成方法。
［２７−３］前記液体は、流れている液体であることを特徴とする［２７］記載の位相共役光の生成方法。
［２８］高強度前進ポンプパルスレーザー光と高強度後進ポンプパルスレーザー光と高強度プローブパルスレーザー光とを、固体透明媒質中で交叉するように照射することにより４光波混合を行い、前記３つのレーザー光の光波干渉によって固体透明媒質がアブレーションして該交叉位置付近に生成したプラズマの周期的空間密度分布を過渡回折格子として用い前記高強度プローブパルスレーザー光に対する位相共役光を発生させることを特徴とする位相共役光の生成方法。
［２９］固体透明媒質が、氷、ガラス、石英、BK7、サファイアまたは透明プラスチックであることを特徴とする［２８］記載の位相共役光の生成方法。
［３０］前記高強度前進ポンプパルスレーザー光と前記高強度後進ポンプパルスレーザー光は極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであり、前記高強度プローブパルスレーザー光は、極短パルス幅1フェムト秒〜100ピコ秒かつ超高ピーク出力0.1TW〜1PWであることを特徴とする［２６］、［２６−１］、［２７］、［２７−１］、［２７−２］、［２７−３］、［２８］、［２９］のいずれかに記載の位相共役光の生成方法。
［３１］正のチャープパルスレーザー光とフーリエ限界パルスレーザー光を、気体中もしくは液体中で、対向するように照射することにより光束干渉が起こって生成したプラズマの周期的空間密度分布からなる過渡回折格子を形成させ、該過渡回折格子より負のチャープパルスレーザー光を発生させることを特徴とするスペクトル位相共役光の生成方法。
［３１−１］負のチャープパルスレーザー光が出現する方向は、フーリエ限界パルス、正のチャープパルスおよび負のチャープパルスの波数ベクトルをそれぞれｋFT、ｋPCP、ｋNCPとするとき、位相整合条件ｋNCP＝ｋFT＋（−ｋFT−ｋPCP）を満たすように調整されることを特徴とする［３１］記載のスペクトル位相共役光の生成方法。
［３２］気体が、希ガスまたは窒素ガスであり、液体が水またはエタノールであることを特徴とする［３１］または［３１−１］記載のスペクトル位相共役光の生成方法。
［３２−１］前記希ガスもしくは窒素ガスは、真空チャンバー中で噴射されていることを特徴とする［３２］記載のスペクトル位相共役光の生成方法。
［３２−２］前記希ガスはネオン（Ｎｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス、またはキセノン（Ｘｅ）ガスであることを特徴とする［３２］または［３２−１］記載のスペクトル位相共役光の生成方法。
［３２−３］前記液体は、流れている液体であることを特徴とする［３２］記載のスペクトル位相共役光の生成方法。
［３３］正のチャープパルスレーザー光とフーリエ限界パルスレーザー光を、固体透明媒質中で、対向するように照射することにより光束干渉が起こって固体透明媒質がアブレーションして該交叉位置付近に生成したプラズマの周期的空間密度分布からなる過渡回折格子を形成させ、該過渡回折格子より負のチャープパルスレーザー光を発生させることを特徴とするスペクトル位相共役光の生成方法。
［３３−１］負のチャープパルスレーザー光が出現する方向は、フーリエ限界パルス、正のチャープパルスおよび負のチャープパルスの波数ベクトルをそれぞれｋFT、ｋPCP、ｋNCPとするとき、位相整合条件ｋNCP＝ｋFT＋（−ｋFT−ｋPCP）を満たすように調整されることを特徴とする［３３］記載のスペクトル位相共役光の生成方法。
［３４］固体透明媒質が、氷、ガラス、石英、BK7、サファイアまたは透明プラスチックであることを特徴とする［３３］または［３３−１］記載のスペクトル位相共役光の生成方法。
に関する。
【発明の効果】
【００１２】
ほとんどの固体非線形光学素子の光損傷閾値は1GW/cm2程度であり、超高ピーク出力0.1TW〜1PWのTW級、PW級の高強度レーザー光が集光、照射されたときにエネルギー密度が10TW/cm2〜100PW/cm2にもなるので、固体光学素子では光学素子としての構造が壊れ、光学的機能が損なわれてしまう。それに対し、本発明によると必要なときに新しい（バージンニューな）過渡回折格子を生成できるので、TW級、PW級の高強度レーザー光に対応することができ、具体的には、
（１）超高ピーク出力0.1TW〜1PWの高強度パルスレーザー光を回折することができる。
（２）超高ピーク出力0.1TW〜1PWの高強度パルスレーザー光からプレパルスを除去することができる。
（３）過渡回折格子素子は、超高ピーク出力0.1TW〜1PW（集光、照射されたときにエネルギー密度が10TW/cm2〜100PW/cm2になる）の高強度パルスレーザー光を繰り返し入射しても、必要なときに新しい（バージンニューな）状態にでき、アブレーションの問題がない。
（４）チャープパルスレーザー光を圧縮できる。
（５）超高ピーク出力0.1TW〜1PWの高強度パルスレーザー光の位相共役光を得ることができる。
（６）チャープパルスレーザー光のスペクトル位相共役光を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本第１発明の高強度パルスレーザー光の回折方法は、２つの高強度ポンプパルスレーザー光を、気体中もしくは液体中で交叉するように照射することにより光束干渉が起こって生成したプラズマの周期的空間密度分布を過渡回折格子として用いて、高強度ポンプパルスレーザー光の自己回折光を発現させることを特徴とすることを特徴とする。
また、本第１発明における気体中もしくは液体中の代わりに固体透明媒質を使用する高強度パルスレーザー光の回折方法は、２つの高強度ポンプパルスレーザー光を、固体透明媒質中で交叉するように照射することにより光束干渉を起こして固体透明媒質をアブレーションさせ、該交叉位置付近に生成したプラズマの周期的空間密度分布を過渡回折格子として用いて、高強度ポンプパルスレーザー光の自己回折光を発現させることを特徴とする。
【００１４】
本第１発明の高強度パルスレーザー光の回折方法について、図１に基づいて説明する。
気体もしくは液体１中で、２つの高強度ポンプパルスレーザー光２、３を交叉させると、この２つのレーザー光の交差領域に周期的な干渉縞が形成される。この干渉縞の交互に隣接している明・暗所の明所では、気体もしくは液体が光励起されてプラズマが生じ、プラズマの周期的空間密度分布が発生し、干渉縞模様の過渡回折格子４が生成される。過渡回折格子が生成されると、前方配置縮退四光波混合が起こるので、自己回折光５が現れる。ここで、気体もしくは液体に入射する前の両光線のなす角をθ０とし、おのおのの光線の波動ベクトルをそれぞれｋａ、ｋｂとすると、この２つの光線の交差領域でできる干渉縞模様のプラズマ過渡回折格子のベクトルｑと過渡回折格子４のピッチ（間隔）ｄは、おのおの以下の式で与えられる。
ｑ＝±（ｋａ−ｋｂ）
ｄ＝λｐ／２ｓｉｎ（θ／２）
λｐ：屈折率nの気体中もしくは液体中での波長（λ０／ｎ）
θ：ｓｉｎθ０＝ｎ・ｓｉｎθを満足する
気体中もしくは液体中への入射前で交差角度θ０を充分に小さくすると、
ｄ≒λ０／θ０
と近似され、θ０を変えることにより過渡回折格子のピッチ（間隔）ｄを変えることができる。
【００１５】
該プラズマ過渡回折格子のコントラストは、干渉する２つのレーザー光の強度の積で決まり、２つのレーザー光が同時に気体中もしくは液体中に到達した時に、コントラストの高いプラズマ過渡回折格子は生じる。また、プラズマ過渡回折格子と高強度ポンプパルスレーザー光がブラッグ条件を満たす場合、自己回折光が所定の方向へ出現する。
［ブラッグ条件］
ｎλ＝２ｄｓｉｎθ
ｎ：正の整数
λ：波長
ｄ：格子の間隔
θ：視射角（９０°−入射角）
【００１６】
本第１発明の高強度パルスレーザー光の回折方法において、高強度ポンプパルスレーザー光２（波数ベクトルｋ２）、高強度ポンプパルスレーザー光３（波数ベクトルｋ１）および自己回折光５（波数ベクトルｋｄ）の位相整合条件は、次の通りであり、自己回折光が出現する方向は、この位相整合条件を満たすように調整される。なお、式中の「〜」はニアリーイコールの意である。
2008052266.tif 000003
【００１７】
また、２つの高強度ポンプパルスレーザー光により生成した過渡回折格子にブラッグ条件を満たすように高強度プローブパルスレーザー光を照射すると、該高強度プローブパルスレーザー光は、過渡回折格子により回折する。
【００１８】
本第１発明の高強度パルスレーザー光の回折方法において、高強度ポンプパルスレーザー光のパルス幅は、1フェムト秒〜100ピコ秒であることが好ましく、例えば100フェムト秒、高強度プローブパルスレーザー光のパルス幅は、1フェムト秒〜100ピコ秒であることが好ましく、例えば100フェムト秒である。また、本第１発明の高強度パルスレーザー光の回折方法において、高強度ポンプパルスレーザー光の自己回折光、高強度プローブパルスレーザー光の回折光のパルス幅は、1フェムト秒〜100ピコ秒であることが好ましく、例えば100フェムト秒である。
【００１９】
高強度ポンプパルスレーザー光および高強度プローブパルスレーザー光の波長λ０は、特に限定されないが、800ｎｍ帯もしくは1μｍ帯であることが好ましく、例えば800ｎｍである。交叉させる２つの高強度ポンプパルスレーザー光の各波長は、同じでなければならない。
【００２０】
本第１発明の高強度パルスレーザー光の回折方法において、高強度ポンプパルスレーザー光、高強度プローブパルスレーザー光、高強度ポンプパルスレーザー光の自己回折光および高強度プローブパルスレーザー光の回折光の超高ピーク出力は、0.1TW〜1PWが好ましい。これらの高強度ポンプパルスレーザー光および高強度プローブパルスレーザー光は、集光、照射されたときには、エネルギー密度が10TW/cm2〜100PW/cm2になる。集光手段は、誘電体多層膜ミラーを用いることが好ましい。回折効率は光強度に強く依存し、1PW/cm2を超えると数10%を超える高い回折効率が得られる。理想的な場合、回折光のパルス幅は入射した光のパルス幅1/√3となる。
【００２１】
本第１発明の高強度パルスレーザー光の回折方法において、交叉させる２つの高強度ポンプパルスレーザー光の光強度比は、過渡回折格子のコントラストの点で1：1000〜1：1であることが好ましい。
【００２２】
本第１発明の高強度パルスレーザー光の回折方法において、２つの高強度ポンプパルスレーザー光は、単パルスであるが、プラズマ再結合時間より繰り返し周期が長ければ（繰り返し周波数がkHz程度ならば）繰り返しパルスでもよい。繰り返しパルスの場合、気体、液体は流れていることが好ましい。
【００２３】
本第１発明の高強度パルスレーザー光の回折方法において、高強度ポンプパルスレーザー光および高強度プローブパルスレーザー光の光源は、フェムト秒レーザーであるチタンサファイアレーザー、Ybドープレーザー、Ndドープレーザーが好ましい。
【００２４】
本第１発明の高強度パルスレーザー光の回折方法において、２つの交叉させる高強度ポンプパルスレーザー光の時間差は、1フェムト秒〜100ピコ秒であり、時間差がない場合が最も回折効率が高い。
【００２５】
本第１発明の高強度パルスレーザー光の回折方法において、気体は希ガスまたは窒素ガスであることが好ましく、液体は水またはエタノールであることが好ましい。
希ガスとして、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、ネオン（Ｎｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス、キセノン（Ｘｅ）ガスが例示される。これら希ガスの中では、ネオン（Ｎｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス、キセノン（Ｘｅ）ガスが好ましく、またこれらと同様に窒素（Ｎ）ガスも好ましい。希ガスあるいは窒素ガスは、真空中で噴射していることが望ましく、具体的には真空チャンバー内にガスジェット噴射していることが望ましい。なお、過渡回折格子であるプラズマの密度は、希ガスあるいは窒素ガスの濃度により制御することができる。
【００２６】
本第１発明の高強度パルスレーザー光の回折方法について、気体中もしくは液体中の代わりに固体透明媒質を使用する高強度パルスレーザー光の回折方法を説明する。
この高強度パルスレーザー光の回折方法は、２つの高強度ポンプパルスレーザー光を、固体透明媒質中で交叉するように照射することにより光束干渉を起こし、その干渉縞の明部位置の固体透明媒質をアブレーションさせ、該交叉位置付近に生成したプラズマの周期的空間密度分布を過渡回折格子として用いて、高強度ポンプパルスレーザー光を自己回折することを特徴とする。なお、アブレーションに伴い、固体透明媒質にレリーフ型回折格子も形成される。
固体透明媒質において２つの高強度ポンプパルスレーザー光を交叉させる位置は、固体透明媒質の表層部あるいは内部である。特に、アブレーションの観点で固体透明媒質の表層部が好ましい。
【００２７】
固体透明媒質は、透明な固体であればよく、氷、ガラス、石英、BK7、サファイアまたは透明プラスチックであることが好ましい。
【００２８】
また、２つの高強度ポンプパルスレーザー光により生成した過渡回折格子にブラッグ条件を満たすように高強度プローブパルスレーザー光を照射すると、該高強度プローブパルスレーザー光は、過渡回折格子により回折する。
【００２９】
過渡回折格子であるプラズマ密度の秩序が維持される時間はナノ秒オーダーであり、高強度レーザーのパルス制御に要する時間(レーザーパルス幅程度)に対して十分長い。交叉させる２つの高強度ポンプパルスレーザー光が繰り返しパルスの場合、過渡回折格子であるプラズマ密度の秩序は定常的に維持される。その場合、ワンパルス毎に固体透明媒質の照射される位置を変える必要があり、ワンパルス毎に固体透明媒質を電動ステージで動かすことが好ましい。
【００３０】
本第２発明の過渡回折格子素子は、２つの高強度ポンプパルスレーザー光を、気体中もしくは液体中で交叉するように照射することにより光束干渉が起こって生成したプラズマの周期的空間密度分布からなること特徴とする。
また、本第２発明における気体中もしくは液体中の代わりに固体透明媒質を使用する過渡回折格子素子は、２つの高強度ポンプパルスレーザー光を、固体透明媒質中で交叉するように照射することにより光束干渉が起こって固体透明媒質がアブレーションして該交叉位置付近に生成したプラズマの周期的空間密度分布からなること特徴とする。
【００３１】
本第２発明の過渡回折格子素子について、図１に基づいて説明する。
本第２発明の過渡回折格子素子は、気体もしくは液体１中で、高強度ポンプパルスレーザー光２と高強度ポンプパルスレーザー光３を交差させ、この２つの光の交差領域に周期的な干渉縞を形成させることにより生成する。この干渉縞の交互に隣接している明・暗所の明所では、気体もしくは液体が光励起されて高密度のプラズマが生じ、暗所では低密度のプラズマが生じあるいはプラズマが生じず、その結果プラズマの周期的空間密度分布が発生しており、このプラズマの周期的空間密度分布自体が過渡回折格子素子４である。
ここで、気体もしくは液体に入射する前の両光線のなす角をθ０とし、おのおのの光線の波動ベクトルをそれぞれｋａ、ｋｂとすると、この２つの光線の交差領域でできる干渉縞模様のプラズマ過渡回折格子のベクトルｑと過渡回折格子４のピッチ（間隔）ｄは、おのおの以下の式で与えられる。
ｑ＝±（ｋａ−ｋｂ）
ｄ＝λｐ／２ｓｉｎ（θ／２）
λｐ：屈折率nの気体中もしくは液体中での波長（λ０／ｎ）
θ：ｓｉｎθ０＝ｎ・ｓｉｎθを満足する
気体中もしくは液体中への入射前で交差角度θ０を充分に小さくすると、
ｄ≒λ０／θ０
と近似され、θ０を変えることにより過渡回折格子のピッチ（間隔）ｄを変えることができる。
【００３２】
本第２発明において、図１の高強度ポンプパルスレーザー光２（波数ベクトルｋ２）、高強度ポンプパルスレーザー光３（波数ベクトルｋ１）および自己回折光５（波数ベクトルｋｄ）の位相整合条件は、次の通りであり、自己回折光が出現する方向は、この位相整合条件を満たすように調整される。なお、式中の「〜」はニアリーイコールの意である。
2008052266.tif 000004
【００３３】
本第２発明において、高強度ポンプパルスレーザー光のパルス幅は、1フェムト秒〜100ピコ秒であることが好ましく、例えば100フェムト秒である。
【００３４】
本第２発明において、高強度ポンプパルスレーザー光の波長λ０は、特に限定されないが、800ｎｍ帯もしくは1μｍ帯であることが好ましく、例えば800ｎｍである。２つの高強度ポンプパルスレーザー光の各波長は、同じでなければならない。
【００３５】
本第２発明において、高強度ポンプパルスレーザー光の超高ピーク出力は、0.1TW〜1PWが好ましい。この高強度ポンプパルスレーザー光は、集光、照射されたときには、エネルギー密度が10TW/cm2〜100PW/cm2になる。集光手段は、誘電体多層膜ミラーを用いることが好ましい。回折効率は光強度に強く依存し、1PW/cm2を超えると数10%を超える高い回折効率が得られる。理想的な場合、回折光のパルス幅は入射した光のパルス幅1/√3となる。
【００３６】
本第２発明において、交叉させる２つの高強度ポンプパルスレーザー光の光強度比は、過渡回折格子のコントラストの点で1：1000〜1：1であることが好ましい。
【００３７】
本第２発明において、高強度ポンプパルスレーザー光は、単パルスであるが、プラズマ再結合時間より繰り返し周期が長ければ（繰り返し周波数がkHz程度ならば）繰り返しパルスでもよい。
【００３８】
本第２発明において、高強度ポンプパルスレーザー光の光源は、フェムト秒レーザーであるチタンサファイアレーザー、Ybドープレーザー、Ndドープレーザーが好ましい。
【００３９】
本第２発明において、交叉させる２つの高強度ポンプパルスレーザー光の時間差は、1フェムト秒〜100ピコ秒であり、時間差がない場合が最も回折効率が高い。
【００４０】
本第２発明の過渡回折格子素子において、気体は希ガスまたは窒素ガスであることが好ましく、液体は水またはエタノールであることがより好ましい。希ガスとして、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、ネオン（Ｎｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス、キセノン（Ｘｅ）ガスが例示される。これら希ガスの中では、ネオン（Ｎｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス、キセノン（Ｘｅ）ガスが好ましく、またこれらと同様に窒素（Ｎ）ガスも好ましい。希ガスあるいは窒素ガスは、真空中で噴射していることが望ましく、具体的には真空チャンバー内にガスジェット噴射していることが望ましい。なお、過渡回折格子であるプラズマの密度は、希ガスあるいは窒素ガスの濃度により制御することができる。
【００４１】
本第２発明の過渡回折格子素子について、気体中もしくは液体中の代わりに固体透明媒質を使用する過渡回折格子素子を説明する。
この過渡回折格子素子は、２つの高強度ポンプパルスレーザー光を、固体透明媒質中で交叉するように照射することにより光束干渉を起こし、その干渉縞の明部位置の固体透明媒質をアブレーションさせ、該交叉位置付近に生成したプラズマの周期的空間密度分布を過渡回折格子として用いて、高強度ポンプパルスレーザー光を自己回折することを特徴とする。なお、アブレーションに伴い、固体透明媒質にレリーフ型回折格子も形成される。
【００４２】
固体透明媒質は、透明な固体であればよく、氷、ガラス、石英、BK7、サファイアまたは透明プラスチックであることが好ましい。
【００４３】
過渡回折格子であるプラズマ密度の秩序が維持される時間はナノ秒オーダーであり、高強度レーザーのパルス制御に要する時間(レーザーパルス幅程度)に対して十分長い。高強度ポンプパルスレーザー光が繰り返しパルスの場合、過渡回折格子であるプラズマ密度の秩序は定常的に維持される。
【００４４】
本第３発明の高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法は、高強度ポンプパルスレーザー光とプレパルスを伴う高強度プローブパルスレーザー光とを、気体中もしくは液体中で交叉するように照射することにより光束干渉が起こって生成したプラズマの周期的空間密度分布を過渡回折格子として用いて光波混合を行い、プレパルスフリーな高強度パルスレーザー光を回折光として発現させることを特徴とする。
また、本第３発明における気体もしくは液体の代わりに固体透明媒質を使用する高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法は、高強度ポンプパルスレーザー光とプレパルスを伴う高強度プローブパルスレーザー光とを、固体透明媒質中で交叉するように照射することにより光束干渉が起こって固体透明媒質がアブレーションして該交叉位置付近に生成したプラズマの周期的空間密度分布を過渡回折格子として用いて光波混合を行い、プレパルスフリーな高強度パルスレーザー光を回折光として発現させることを特徴とする。
【００４５】
本第３発明の高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法および本第２発明の過渡回折格子素子について、図２に基づいて説明する。
気体もしくは液体１１中で、高強度ポンプパルスレーザー光１２とプレパルスを伴う高強度プローブパルスレーザー光１３を交差させると、この２つのレーザー光の交差領域に周期的な干渉縞が形成される。この干渉縞の交互に隣接している明・暗所の明所では、気体もしくは液体１１が光励起されてプラズマが生じ、プラズマの周期的空間密度分布が発生し、干渉縞模様の過渡回折格子１４が生成される。過渡回折格子１４が生成されると、前方配置縮退四光波混合が起こるので、自己回折光１５が現れる。ここで、気体もしくは液体１１に入射する前の両光線のなす角をθ０とし、おのおのの光線の波動ベクトルをそれぞれｋａ、ｋｂとすると、この２つの光線の交差領域でできる干渉縞模様のプラズマ過渡回折格子のベクトルｑと過渡回折格子１４のピッチ（間隔）ｄは、おのおの以下の式で与えられる。
ｑ＝±（ｋａ−ｋｂ）
ｄ＝λｐ／２ｓｉｎ（θ／２）
λｐ：屈折率nの気体もしくは液体中の波長（λ０／ｎ）
θ：ｓｉｎθ０＝ｎ・ｓｉｎθを満足する
希ガスへの入射前で交差角度θ０を充分に小さくすると、
ｄ≒λ０／θ０
と近似され、θ０を変えることにより過渡回折格子１４のピッチ（間隔）ｄを変えることができる。
【００４６】
該プラズマ過渡回折格子１４のコントラストは、干渉する２つのレーザー光の強度の積で決まる。また、２つのレーザー光が同時にターゲットガスに到達した時のみ該プラズマ過渡回折格子１４は生じる。したがって、例えば、プレパルス１３ｂを伴う高強度プローブパルスレーザー１３光の主パルス１３ａと、プレパルス１２ｂを伴う高強度ポンプパルスレーザー光１２の主パルス１２ａとを同期させて交差させる場合、交差地点においてプレパルス単独ではコントラストの高いプラズマ過渡回折格子１４は生成せず、プレパルスはそのまま通過する。そして、次に交差地点に達する高強度プローブパルスレーザー光１３の主パルス光１３ａと高強度ポンプパルスレーザー光１２の主パルス光１２ａによって、コントラストの高いプラズマ過渡回折格子１４が生成し、プラズマ過渡回折格子１４と高強度プローブパルス光１３がブラッグ条件を満たす場合、プレパルスが抑制された自己回折光１５（１５ａは主パルスであり、１５ｂはプレパルス１２ｂの存在していた位置を表す）が現れる。この自己回折光１５の回折効率は入射する主パルス光強度の2乗とポンプパルス強度の積で与えられるため、プレパルスの無い（コントラストの高い）高強度プローブパルスレーザー光が所定の方向への自己回折光１５として出現する。
［ブラッグ条件］
ｎλ＝２ｄｓｉｎθ
ｎ：正の整数
λ：波長
ｄ：格子の間隔
θ：視射角（９０°−入射角）
【００４７】
本第３発明の高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法において、高強度ポンプパルスレーザー光１２（波数ベクトルｋ２）、高強度プローブパルスレーザー光１３（波数ベクトルｋ１）および自己回折光１５（波数ベクトルｋｄ）の位相整合条件は、次の通りであり、自己回折光が出現する方向は、この位相整合条件を満たすように調整される。なお、式中の「〜」はニアリーイコールの意である。
2008052266.tif 000005
【００４８】
本第３発明の高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法において、高強度ポンプパルスレーザー光のパルス幅は、1フェムト秒〜100ピコ秒であることが好ましく、例えば100フェムト秒、高強度プローブパルスレーザー光のパルス幅は、1フェムト秒〜100ピコ秒であることが好ましく、例えば100フェムト秒である。また、本第３発明の高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法において、プレパルスフリーな高強度パルスレーザー光である回折光のパルス幅は、1フェムト秒〜100ピコ秒であることが好ましく、例えば100フェムト秒である。
【００４９】
高強度ポンプパルスレーザー光および高強度プローブパルスレーザー光の波長λ０は、特に限定されないが、800ｎｍ帯もしくは1μｍ帯であることが好ましく、例えば800ｎｍである。高強度ポンプパルスレーザー光および高強度プローブパルスレーザー光の各波長は、同じでなければならない。
【００５０】
本第３発明の高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法において、高強度ポンプパルスレーザー光、高強度プローブパルスレーザー光およびプレパルスフリーな高強度パルスレーザー光である回折光の超高ピーク出力は、0.1TW〜1PWが好ましい。これらの高強度ポンプパルスレーザー光および高強度プローブパルスレーザー光は、集光、照射されたときには、エネルギー密度が10TW/cm2〜100PW/cm2になる。集光手段は、誘電体多層膜ミラーを用いることが好ましい。回折効率は光強度に強く依存し、1PW/cm2を超えると数10%を超える高い回折効率が得られる。理想的な場合、回折光のパルス幅は入射した光のパルス幅1/√3となる。
【００５１】
本第３発明の高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法において、高強度ポンプパルスレーザー光と高強度プローブパルスレーザー光の光強度比は、過渡回折格子のコントラストの点で1：1000〜1：1であることが好ましい。
【００５２】
本第３発明の高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法において、高強度ポンプパルスレーザー光、高強度プローブパルスレーザー光は、単パルスであるが、プラズマ再結合時間より繰り返し周期が長ければ（繰り返し周波数がkHz程度ならば）繰り返しパルスでもよい。繰り返しパルスの場合、気体、液体は流れていることが好ましい。
【００５３】
本第３発明の高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法において、高強度パルスレーザー光の光源は、フェムト秒レーザーであるチタンサファイアレーザー、Ybドープレーザー、Ndドープレーザーが好ましい。
【００５４】
本第３発明の高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法において、高強度ポンプパルスレーザー光と高強度プローブパルスレーザー光の時間差は、1フェムト秒〜100ピコ秒であり、時間差がない場合が最も回折効率が高い。
【００５５】
本第３発明の高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法において、気体は希ガスまたは窒素ガスであることが好ましく、液体は水またはエタノールであることがより好ましい。希ガスとして、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、ネオン（Ｎｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス、キセノン（Ｘｅ）ガスが例示される。これら希ガスの中では、ネオン（Ｎｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス、キセノン（Ｘｅ）ガスが好ましく、またこれらと同様に窒素（Ｎ）ガスも好ましい。希ガスあるいは窒素ガスは、真空中で噴射していることが望ましく、具体的には真空チャンバー内にガスジェット噴射していることが望ましい。なお、過渡回折格子であるプラズマの密度は、希ガスあるいは窒素ガスの濃度により制御することができる。また、液体は、流れている液体であることが好ましい。
【００５６】
本第３発明の高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法について、気体もしくは液体の代わりに固体透明媒質を使用する高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法を説明する。
この高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法は、高強度ポンプパルスレーザー光とプレパルスを伴う高強度プローブパルスレーザー光とを、固体透明媒質中で交叉するように照射することにより光束干渉が起こって固体透明媒質がアブレーションして該交叉位置付近に生成したプラズマの周期的空間密度分布を過渡回折格子として用いて光波混合を行い、プレパルスフリーな高強度パルスレーザー光を回折光として発現させることを特徴とすることを特徴とする。なお、アブレーションに伴い、固体透明媒質にレリーフ型回折格子も形成される。
【００５７】
固体透明媒質は、透明な固体であればよく、氷、ガラス、石英、BK7、サファイアまたは透明プラスチックであることが好ましい。
【００５８】
また、過渡回折格子であるプラズマ密度の秩序が維持される時間はナノ秒オーダーであり、高強度レーザーのパルス制御に要する時間(レーザーパルス幅程度)に対して十分長い。高強度ポンプパルスレーザー光、高強度プローブパルスレーザー光が繰り返しパルスの場合、過渡回折格子であるプラズマ密度の秩序は定常的に維持される。
【００５９】
本第４発明のチャープパルスレーザー光の圧縮方法は、高強度ポンプパルスレーザー光と高強度プローブパルスレーザー光とを、気体中もしくは液体中で交叉するように照射することにより光束干渉が起こって生成したプラズマの周期的空間密度分布からなる過渡回折格子を一対対向して配置するように形成させること、該過渡回折格子対の第一の過渡回折格子にチャープパルスレーザー光を入射し、該過渡回折格子からの回折光である高強度パルスレーザー光を、第二の過渡回折格子に入射させて第二の過渡回折格子からパルス圧縮された高強度パルスレーザー光を回折させることからなることを特徴とする。
また、本第４発明における気体もしくは液体の代わりに固体透明媒質を使用するチャープパルスレーザー光の圧縮方法は、高強度ポンプパルスレーザー光と高強度プローブパルスレーザー光とを、固体透明媒質中で交叉するように照射することにより光束干渉が起こって固体透明媒質がアブレーションして該交叉位置付近に生成したプラズマの周期的空間密度分布からなる過渡回折格子を一対対向して配置するように形成させること、該過渡回折格子対の第一の過渡回折格子にチャープパルスレーザー光を入射し、該過渡回折格子からの回折光である高強度パルスレーザー光を、第二の過渡回折格子に入射させて第二の過渡回折格子からパルス圧縮された高強度パルスレーザー光を回折させることからなることを特徴とする。
【００６０】
本第４発明のチャープパルスレーザー光の圧縮方法について、図３に基づいて説明する。
光の周波数が時間的に上昇(アップチャープ)あるいは下降(ダウンチャープ)することをチャーピングといい、パルス圧縮においては、アップチャープされたパルス（アップチャープパルス）に対しては異常分散型（周波数の高いほうが遅延時間が短い）の圧縮回路が、また、ダウンチャープされたパルス（ダウンチャープパルス）に対しては正常分散型の圧縮回路が必要になる。
【００６１】
本第４発明のチャープパルスレーザー光の圧縮方法は、高強度ポンプパルスレーザー光３２ａと高強度プローブパルスレーザー光３３ａを気体もしくは液体３１ａ中で交叉するように照射することにより光束干渉が起こって生成したプラズマの周期的空間密度分布からなる第一の過渡回折格子３４ａと、同様に、高強度ポンプパルスレーザー光３２ｂと高強度プローブパルスレーザー光３３ｂを気体もしくは液体３１ａ中で交叉するように照射することにより光束干渉が起こって生成したプラズマの周期的空間密度分布からなる第二の過渡回折格子３４ｂとを対向して配置する一対の過渡回折格子（３４（３４ａと３４ｂを合わせたもの））を形成させること、第一の過渡回折格子に波長が広帯域化し、かつ時間的にパルスが伸びたアップチャープパルスレーザー光３５を入射し、該過渡回折格子３４ａからの回折光３６を、第二の過渡回折格子に入射させて第二の過渡回折格子３４ｂからパルス圧縮された高強度パルスレーザー光３７を回折させることからなる。このパルス圧縮は、該プラズマ過渡回折格子対３４にアップチャープパルスレーザー光３５が入射されると、該過渡回折格子対３４により負の群速度分散となる角度分散（ダウンチャープ）を生じさせること（パルスの前方部分に位置する周波数の低い部分の伝搬速度は遅くなる）により実現される。
【００６２】
本第４発明のチャープパルスレーザー光の圧縮方法において、高強度ポンプパルスレーザー光３２ａ（波数ベクトルｋ２）、高強度プローブパルスレーザー光３３ａ（波数ベクトルｋ１）および回折光３４ａ（波数ベクトルｋｄ）の位相整合条件は、次の通りであり、自己回折光が出現する方向は、この位相整合条件を満たすように調整される。高強度ポンプパルスレーザー光３２ｂ（波数ベクトルｋ２）、高強度プローブパルスレーザー光３３ｂ（波数ベクトルｋ１）および回折光３４ｂ（波数ベクトルｋｄ）の位相整合条件も同様である。なお、式中の「〜」はニアリーイコールの意である。
2008052266.tif 000006
【００６３】
本第４発明のチャープパルスレーザー光の圧縮方法において、高強度ポンプパルスレーザー光のパルス幅は、1フェムト秒〜100ピコ秒であることが好ましく、例えば100フェムト秒、高強度プローブパルスレーザー光のパルス幅は、1フェムト秒〜100ピコ秒であることが好ましく、例えば100フェムト秒である。また、本第４発明のチャープパルスレーザー光の圧縮方法において、回折光のパルス幅は、1フェムト秒〜100ピコ秒であることが好ましく、例えば100フェムト秒である。
【００６４】
本第４発明のチャープパルスレーザー光の圧縮方法において、高強度ポンプパルスレーザー光および高強度プローブパルスレーザー光の波長λ０は、特に限定されないが、800ｎｍ帯もしくは１μｍ帯であることが好ましく、例えば800ｎｍである。高強度ポンプパルスレーザー光および高強度プローブパルスレーザー光の各波長は、同じでなければならない。
【００６５】
本第４発明のチャープパルスレーザー光の圧縮方法において、高強度ポンプパルスレーザー光、高強度プローブパルスレーザー光および回折光の超高ピーク出力0.1TW〜1PWが好ましい。これらの高強度ポンプパルスレーザー光および高強度プローブパルスレーザー光は、集光、照射されたときには、エネルギー密度が10TW/cm2〜100PW/cm2になる。集光手段は、誘電体多層膜ミラーを用いることが好ましい。回折効率は光強度に強く依存し、1PW/cm2を超えると数10%を超える高い回折効率が得られる。理想的な場合、回折光のパルス幅は入射した光のパルス幅1/√3となる。
【００６６】
本第４発明のチャープパルスレーザー光の圧縮方法において、高強度ポンプパルスレーザー光と高強度プローブパルスレーザー光の光強度比は、グレーティングのコントラストの点で1：1000〜1：1であることが好ましい。
【００６７】
本第４発明のチャープパルスレーザー光の圧縮方法において、高強度ポンプパルスレーザー光、高強度プローブパルスレーザー光は、単パルスであるが、プラズマ再結合時間より繰り返し周期が長ければ（繰り返し周波数がkHz程度ならば）繰り返しパルスでもよい。繰り返しパルスの場合、気体、液体は流れていることが好ましい。
【００６８】
本第４発明のチャープパルスレーザー光の圧縮方法において、高強度パルスレーザー光の光源は、フェムト秒レーザーであるチタンサファイアレーザー、Ybドープレーザー、Ndドープレーザーが好ましい。
【００６９】
本第４発明のチャープパルスレーザー光の圧縮方法において、高強度ポンプパルスレーザー光と高強度プローブパルスレーザー光の時間差は、数フェムト秒以下であることが好ましく、時間差がない場合が最も良い。
【００７０】
本第４発明のチャープパルスレーザー光の圧縮方法において、気体は希ガスまたは窒素ガスであることが好ましく、液体は水またはエタノールであることがより好ましい。希ガスとして、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、ネオン（Ｎｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス、キセノン（Ｘｅ）ガスが例示される。これら希ガスの中では、ネオン（Ｎｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス、キセノン（Ｘｅ）ガスが好ましく、またこれらと同様に窒素（Ｎ）ガスも好ましい。希ガスあるいは窒素ガスは、真空中で噴射していることが望ましく、具体的には真空チャンバー内にガスジェット噴射していることが望ましい。なお、過渡回折格子であるプラズマの密度は、希ガスあるいは窒素ガスの濃度により制御することができる。また、液体は、流れている液体であることが好ましい。
【００７１】
本第４発明のチャープパルスレーザー光の圧縮方法について、気体もしくは液体の代わりに固体透明媒質を使用するチャープパルスレーザー光の圧縮方法を説明する。
この高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法は、高強度ポンプパルスレーザー光と高強度プローブパルスレーザー光とを、固体透明媒質中で交叉するように照射することにより光束干渉が起こって固体透明媒質がアブレーションして該交叉位置付近に生成したプラズマの周期的空間密度分布からなる過渡回折格子を一対対向して配置するように形成させること、該過渡回折格子対の第一の過渡回折格子にチャープパルスレーザー光を入射し、該過渡回折格子からの回折光である高強度パルスレーザー光を、第二の過渡回折格子に入射させて第二の過渡回折格子からパルス圧縮された高強度パルスレーザー光を回折させることからなることを特徴とする。なお、アブレーションに伴い、固体透明媒質にレリーフ型回折格子も形成される。
【００７２】
固体透明媒質は、透明な固体であればよく、氷、ガラス、石英、BK7、サファイアまたは透明プラスチックであることが好ましい。
【００７３】
本第４発明のチャープパルスレーザー光の圧縮方法において、チャープパルスレーザー光は、全ての周波数成分の位相が揃っているほどに広帯域化し、かつ時間的にパルスを伸ばしたものであり、そのパルス幅は、サブピコ秒〜1000ピコ秒である。
【００７４】
本第４発明のチャープパルスレーザー光の圧縮方法において、第一の過渡回折格子と第二の過渡回折格子との距離は、特に限定されないが、1cm〜100cmである。第二の過渡回折格子は、第一の過渡回折格子からの回折レーザー光の光路上に配置する。
【００７５】
本第４発明のチャープパルスレーザー光の圧縮方法において、チャープパルスレーザー光は、第一の過渡回折格子面に回折条件「sinγ＋sin(γ−θ)＝λ／ｄg＝２πｃ／ωｄg  ここで、γ：チャープパルスレーザー光の第一の過渡回折格子への入射角、θ：第一の回折格子からの回折角、λ：チャープパルスレーザー光の中心波長、ｄg：過渡回折格子の溝間隔である」を満足するように入射することが望ましい。
【００７６】
圧縮前にサブピコ秒〜1000ピコ秒であったチャープレーザー光のパルス幅は、圧縮後には数フェムト秒レベルとなる。
【００７７】
本第５発明の位相共役光の生成方法は、高強度前進ポンプパルスレーザー光と高強度後進ポンプパルスレーザー光と高強度プローブパルスレーザー光とを、気体中もしくは液体中で交叉するように照射することにより４光波混合を行い、前記３つのレーザー光の光波干渉によって生成したプラズマの周期的空間密度分布を過渡回折格子として用い前記高強度プローブパルスレーザー光に対する位相共役光を発生させることを特徴とする。
また、本第５発明における気体もしくは液体の代わりに固体透明媒質を使用する位相共役光の生成方法は、高強度前進ポンプパルスレーザー光と高強度後進ポンプパルスレーザー光と高強度プローブパルスレーザー光とを、固体透明媒質中で交叉するように照射することにより４光波混合を行い、前記３つのレーザー光の光波干渉によって固体透明媒質がアブレーションして該交叉位置付近に生成したプラズマの周期的空間密度分布を過渡回折格子として用い前記高強度プローブパルスレーザー光に対する位相共役光を発生させることを特徴とする。
【００７８】
本第５発明の位相共役光の生成方法について、図４に基づいて説明する。本第４発明の位相共役光の生成方法は、高強度プローブパルスレーザー光４２と、高強度前進ポンプパルスレーザー光４３と、高強度後進ポンプパルスレーザー光４４とを、気体もしくは液体４１中で交叉するように照射することにより、後方配置縮退四光波混合を行い、3つの光波の干渉によって、透過型、反射型、2k型の3種類のプラズマ過渡回折格子４５が形成され、その結果として位相共役光４６が発生する。高強度前進ポンプパルスレーザー光４３と、高強度後進ポンプパルスレーザー光４４とは、対向するように照射されることが望ましい。なお、空間的に共役な波面を位相共役波と呼ぶ。
【００７９】
本第５発明の位相共役光の生成方法において、高強度プローブパルスレーザー光４２（波数ベクトルｋ１）、高強度前進ポンプパルスレーザー光４３（波数ベクトルｋfp）、高強度後進ポンプパルスレーザー光４４（波数ベクトルｋbp）および位相共役光４６（波数ベクトルｋｄ）の位相整合条件は、次の通りであり、位相共役光が出現する方向は、この位相整合条件を満たすように調整される。
2008052266.tif 000007
【００８０】
本第５発明の位相共役光の生成方法において、高強度前進ポンプパルスレーザー光および高強度後進ポンプパルスレーザー光のパルス幅は、1フェムト秒〜100ピコ秒であることが好ましく、例えば100フェムト秒、高強度プローブパルスレーザー光のパルス幅は、1フェムト秒〜100ピコ秒であることが好ましく、例えば100フェムト秒である。
【００８１】
高強度前進ポンプパルスレーザー光、高強度後進ポンプパルスレーザー光および高強度プローブパルスレーザー光の波長λ０は、特に限定されないが、800ｎｍ帯もしくは１μｍ帯であることが好ましく、例えば800ｎｍである。
【００８２】
本第５発明の位相共役光の生成方法において、高強度前進ポンプパルスレーザー光、高強度後進ポンプパルスレーザー光および高強度プローブパルスレーザー光の超高ピーク出力は、0.1TW〜1PWが好ましい。これらの高強度前進ポンプパルスレーザー光、高強度後進ポンプパルスレーザー光および高強度プローブパルスレーザー光は、集光、照射されたときには、エネルギー密度が10TW/cm2〜100PW/cm2になる。集光手段は、誘電体多層膜ミラーを用いることが好ましい。回折効率は光強度に強く依存し、1PW/cm2を超えると数10%を超える高い回折効率が得られる。理想的な場合、回折光のパルス幅は入射した光のパルス幅1/√3となる。
【００８３】
本第５発明の位相共役光の生成方法において、高強度前進ポンプパルスレーザー光、高強度後進ポンプパルスレーザー光の光強度比は、過渡回折格子のコントラストの点で1：1000〜1：1であることが好ましく、より好ましくは1：100〜1：1である。また、高強度前進ポンプパルスレーザー光と高強度プローブパルスレーザー光の光強度比は、過渡回折格子のコントラストの点で1：1000〜1：1であることが好ましく、より好ましくは1：100〜1：1である。さらには、高強度後進ポンプパルスレーザー光と高強度プローブパルスレーザー光の光強度比は、過渡回折格子のコントラストの点で1：1000〜1：1であることが好ましく、より好ましくは1：100〜1：1である。
【００８４】
本第５発明の位相共役光の生成方法において、高強度前進ポンプパルスレーザー光、高強度後進ポンプパルスレーザー光および高強度プローブパルスレーザー光は、単パルスであるが、プラズマ再結合時間より繰り返し周期が長ければ（繰り返し周波数がkHz程度ならば）繰り返しパルスでもよい。繰り返しパルスの場合、気体、液体は流れていることが好ましい。
【００８５】
本第５発明の位相共役光の生成方法において、高強度パルスレーザー光の光源は、フェムト秒レーザーであるチタンサファイアレーザー、Ybドープレーザー、Ndドープレーザーが好ましい。
【００８６】
本第５発明の位相共役光の生成方法において、高強度前進ポンプパルスレーザー光、高強度後進ポンプパルスレーザー光の時間差は、パルス幅程度であり、時間差がない場合が最も望ましく回折効率が高い。またまた、高強度前進ポンプパルスレーザー光と高強度プローブパルスレーザー光の時間差は、パルス幅程度であり、時間差がない場合が最も回折効率が高い。高強度後進ポンプパルスレーザー光と高強度プローブパルスレーザー光の時間差は、プラズマ再結合時間より短い必要があり、時間差がない場合が最も回折効率が高い。
【００８７】
本第５発明の位相共役光の生成方法において、気体は希ガスまたは窒素ガスであることが好ましく、液体は水またはエタノールであることがより好ましい。希ガスとして、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、ネオン（Ｎｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス、キセノン（Ｘｅ）ガスが例示される。これら希ガスの中では、ネオン（Ｎｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス、キセノン（Ｘｅ）ガスが好ましく、またこれらと同様に窒素（Ｎ）ガスも好ましい。希ガスあるいは窒素ガスは、真空中で噴射していることが望ましく、具体的には真空チャンバー内にガスジェット噴射していることが望ましい。なお、過渡回折格子であるプラズマの密度は、希ガスあるいは窒素ガスの濃度により制御することができる。また、液体は、流れている液体であることが好ましい。
【００８８】
本第５発明の位相共役光の生成方法について、気体もしくは液体の代わりに固体透明媒質を使用する位相共役光の生成方法を説明する。
この位相共役光の生成方法は、高強度前進ポンプパルスレーザー光と高強度後進ポンプパルスレーザー光と高強度プローブパルスレーザー光とを、固体透明媒質中で交叉するように照射することにより４光波混合を行い、前記３つのレーザー光の光波干渉によって固体透明媒質がアブレーションして該交叉位置付近に生成したプラズマの周期的空間密度分布を過渡回折格子として用い前記高強度プローブパルスレーザー光に対する位相共役光を発生させることを特徴とする。なお、アブレーションに伴い、固体透明媒質にレリーフ型回折格子も形成される。
【００８９】
固体透明媒質は、透明な固体であればよく、氷、ガラス、石英、BK7、サファイアまたは透明プラスチックであることが好ましい。
【００９０】
また、プラズマ密度の秩序が維持される時間はナノ秒オーダーであり、高強度レーザーのパルス制御に要する時間(レーザーパルス幅程度)に対して十分長い。
【００９１】
本第６発明のスペクトル位相共役光の生成方法は、正のチャープパルスレーザー光とフーリエ限界パルスレーザー光を、気体中もしくは液体中で、対向するように照射することにより光束干渉が起こって生成したプラズマの周期的空間密度分布からなる過渡回折格子を形成させ、該過渡回折格子より負のチャープパルスレーザー光を発生させることを特徴とする。
また、本第６発明における気体もしくは液体の代わりに固体透明媒質を使用するスペクトル位相共役光の生成方法は、正のチャープパルスレーザー光とフーリエ限界パルスレーザー光を、固体透明媒質中で、対向するように照射することにより光束干渉が起こって固体透明媒質がアブレーションして該交叉位置付近に生成したプラズマの周期的空間密度分布からなる過渡回折格子を形成させ、該過渡回折格子より負のチャープパルスレーザー光を発生させることを特徴とする。
【００９２】
本第６発明のスペクトル位相共役光の生成方法について、図５に基づいて説明する。
本発明のスペクトル位相共役光の生成方法は、気体もしくは液体５１中で、正のチャープパルスレーザー光５２（光の周波数が時間的に上昇している光パルス）とフーリエ限界パルス光５３とを対向させるように交差させ、周期的な干渉縞を形成させると、この干渉縞の交互に交差している明・暗所の明所では、媒体が光励起されてプラズマが生じ、空間的に正の方向ほど回折格子幅が広い過渡回折格子であるチャーププラズマ回折格子５４（屈折率格子）が生成される。つまり、形成されるプラズマ回折格子５４の格子間隔は空間的にチャープされている。これをチャーププラズマ回折格子５４と呼ぶ。このチャーププラズマ過渡回折格子５４をプラズマ再結合時間より短い時間でフーリエ限界パルス５３を用いて読み出せば、書き込みに用いたチャープパルスレーザー光と時間的に逆向きのチャープを持つパルスレーザー光（スペクトル位相共役光）５５、つまり、このチャーププラズマ回折格子５４による回折光として、フーリエ限界パルス光５３の移動方向にスペクトル位相共役光５５（負のチャープパルス光（光の周波数が時間的に下降している光パルス））が発生する。なお、スペクトル位相共役光は、スペクトル領域での共役な光波を意味する。
【００９３】
本第６発明のスペクトル位相共役光の生成方法において、フーリエ限界パルス５３（波数ベクトルｋFT）、正のチャープパルスレーザー光５２（波数ベクトルｋPCP）および負のチャープパルスレーザー光５５（波数ベクトルｋNCP）の位相整合条件は、次の通りであり、負のチャープパルスレーザー光つまりスペクトル位相共役光が出現する方向は、この位相整合条件を満たすように調整される。
2008052266.tif 000008
【００９４】
本第６発明のスペクトル位相共役光の生成方法において、フーリエ限界パルスは、第３発明の高強度パルスレーザー光の圧縮方法により生成されたものであることが好ましく、そのパルス幅は1フェムト秒〜100ピコ秒、例えば100フェムト秒であり、超高ピーク出力は0.1TW〜1PW（エネルギー密度10TW/cm2〜100PW/cm2）である。このフーリエ限界パルスは、集光、照射されたときには、エネルギー密度が10TW/cm2〜100PW/cm2になる。
【００９５】
本第６発明のスペクトル位相共役光の生成方法において、正のチャープパルスレーザー光は、全ての周波数成分の位相が揃っているほどに広帯域化し、かつ時間的にパルスを伸ばしたものであり、そのパルス幅はサブピコ秒〜1000ピコ秒、例えば10ピコ秒であり、超高ピーク出力は0.1TW〜1PWである。このフーリエ限界パルスは、集光、照射されたときには、エネルギー密度が10TW/cm2〜100PW/cm2になる。集光手段は、誘電体多層膜ミラーを用いることが好ましい。回折効率は光強度に強く依存し、1PW/cm2を超えると数10%を超える高い回折効率が得られる。理想的な場合、回折光のパルス幅は入射した光のパルス幅1/√3となる。
【００９６】
本第６発明のスペクトル位相共役光の生成方法において、フーリエ限界パルス、チャープパルスレーザー光は、単パルスであるが、プラズマ再結合時間より繰り返し周期が長ければ（繰り返し周波数がkHz程度ならば）繰り返しパルスでもよい。繰り返しパルスの場合、気体、液体は流れていることが好ましい。
【００９７】
本第６発明のスペクトル位相共役光の生成方法において、気体は希ガスまたは窒素ガスであることが好ましく、液体は水またはエタノールであることがより好ましい。希ガスとして、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、ネオン（Ｎｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス、キセノン（Ｘｅ）ガスが例示される。これら希ガスの中では、ネオン（Ｎｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス、キセノン（Ｘｅ）ガスが好ましく、またこれらと同様に窒素（Ｎ）ガスも好ましい。希ガスあるいは窒素ガスは、真空中で噴射していることが望ましく、具体的には真空チャンバー内にガスジェット噴射していることが望ましい。なお、過渡回折格子であるプラズマの密度は、希ガスあるいは窒素ガスの濃度により制御することができる。また、液体は、流れている液体であることが好ましい。
【００９８】
本第６発明のスペクトル位相共役光の生成方法について、気体もしくは液体の代わりに固体透明媒質を使用するスペクトル位相共役光の生成方法を説明する。
このスペクトル位相共役光の生成方法は、正のチャープパルスレーザー光とフーリエ限界パルスレーザー光を、固体透明媒質中で、対向するように照射することにより光束干渉が起こって固体透明媒質がアブレーションして該交叉位置付近に生成したプラズマの周期的空間密度分布からなる過渡回折格子を形成させ、該過渡回折格子より負のチャープパルスレーザー光を発生させることを特徴とする。なお、アブレーションに伴い、固体透明媒質にレリーフ型回折格子も形成される。
【００９９】
固体透明媒質は、透明な固体であればよく、氷、ガラス、石英、BK7、サファイアまたは透明プラスチックであることが好ましい。
【実施例】
【０１００】
本発明の高強度パルスレーザー光の回折方法、高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法、過渡回折格子素子、チャープパルスレーザー光の圧縮方法、位相共役光の生成方法、およびスペクトル位相共役光の生成方法についての実施形態について、これらの基本となる過渡回折格子の形成を、本発明の高強度パルスレーザー光の回折方法によって確認した。図６は、高強度パルスレーザー光の回折方法の概念図である。
【０１０１】
図６に示すように、２つの高強度ポンプパルスレーザー光（６１，６２）と高強度プローブパルスレーザー光６３とをレンズ６４により集光して、２つの高強度ポンプパルスレーザー光（６１’，６２’）、高強度プローブパルスレーザー光６３’とし、厚さ１μｍの石英ガラス６５中で交叉するように照射した（交叉部６５ａ）。高強度ポンプパルスレーザー光の光源は、Nd:YAGレーザー（波長：1064nm、繰り返し周波数：10Hz、パルス幅：15ps）であった。
石英ガラス６５中で２つの高強度ポンプパルスレーザー光は光束干渉を起こして、その干渉縞の明部位置の石英ガラス６５がアブレーションし、石英ガラス６５の表面付近にプラズマの周期的空間密度分布が生成した。図７は、石英ガラス６５がアブレーションし、その石英ガラス６５の表面付近にプラズマの周期的空間密度分布６６が生じている状態を示す概念図である。
このプラズマの周期的空間密度分布６６が過渡回折格子６６である。アブレーションに伴い、石英ガラスにレリーフ型回折格子６７も形成された。図８に、石英ガラスに形成されたレリーフ型回折格子６７の写真を示す。なお、この写真は、時間遅れ０秒のものである。
【０１０２】
形成された過渡回折格子６６とレリーフ型回折格子６７により、高強度ポンプパルスレーザー光は自己回折し、図９下段列の回折光６８が観測され、また、高強度プローブパルスレーザー光は回折し、図９上段列の回折光６９が観測された。なお、この写真は、時間遅れ０秒のものである。
【０１０３】
過渡回折格子６６に、高強度プローブパルスレーザー光６３（６３’）を図１０に示す時間遅れをもって入射したときの回折効率を計測した（図１０）。図１０では、時間遅れが０秒、つまり、２つの高強度ポンプパルスレーザー光６１（６１’），６２（６２’）と同時に高強度プローブパルスレーザー光６３（６３’）を照射したときの回折効率を１としている。図１０から、時間遅れが大きくなるにつれ回折効率は小さくなることが分かった。時間遅れが約10psで、充分な時間遅れを与えた場合の回折効率とほぼ同様な回折効率となっていることと、一般的にプラズマの再結合時間は大体10psであることとから、プラズマの周期的空間密度分布６６が生成して、過渡回折格子６６が形成されたことが確認できた。
【０１０４】
また、高強度プローブパルスレーザー光６３（６３’）を十分な時間遅れを与えて照射した場合（ポンプ-プローブ法における読み出し（Reading））と、時間遅れ０秒の場合（ポンプ-プローブ法における書き込み（Writing））との場合の、高強度ポンプパルスレーザー光のエネルギー強度密度による回折効率の変化を確認した（図１１）。Readingの場合は、高強度プローブパルスレーザー光を十分な時間遅れを与えて照射しているので、石英ガラス６５のレリーフ型回折格子６７のみによる回折となり、回折効率は低い値となっている。それに対し、Writingの場合は、高強度ポンプパルスレーザー光６１’，６２’のエネルギー強度密度が1J/cm2以上で回折効率が高い値となっていることが分かる。これは、高強度ポンプパルスレーザー光６１’，６２’のエネルギー強度密度1J/cm2を閾値として、それ以上の強い高強度ポンプパルスレーザー光６１'，６２’により、石英ガラス６５のアブレーションが起こっており、プラズマの周期的空間密度分布６６、つまり過渡回折格子６６が形成されていることを示す。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
本発明の高強度パルスレーザー光の回折方法、過渡回折格子素子、高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法、高強度パルスレーザー光の圧縮方法、位相共役光生成方法およびスペクトル位相共役光生成方法は、高次高調波発生、超短パルス高繰り返しレーザーを用いた微細加工、Ｘ線（ＥＵＶ）発生用レーザー技術、コヒーレントＸ線（Ｘ線レーザー）の励起技術、核融合レーザー技術、高エネルギー物理実験等の種々の分野に多岐にわたって応用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本第１発明の高強度パルスレーザー光の回折方法の概念図（本第２発明の過渡回折格子素子を含む）である。
【図２】本第３発明の高強度パルスレーザー光のプレパルス抑制方法の概念図である。
【図３】本第４発明のチャープパルスレーザー光の圧縮方法の概念図である。
【図４】本第５発明の位相共役光の生成方法の概念図である。
【図５】本第６発明のスペクトル位相共役光の生成方法の概念図である。
【図６】高強度パルスレーザー光の回折方法の概念図である。
【図７】石英ガラスがアブレーションし、プラズマの周期的空間密度分布が生じている状態を示す概念図である。
【図８】石英ガラスの写真である。
【図９】石英ガラスに形成されたレリーフ型回折格子の写真である。
【図１０】高強度プローブパルスレーザー光の時間遅れを変化させたときの回折効率を示す。
【図１１】高強度ポンプパルスレーザー光のエネルギー強度密度による回折効率の変化を示す。
【符号の説明】
【０１０７】
１    気体もしくは液体
２    高強度ポンプパルスレーザー光
３    高強度ポンプパルスレーザー光
４    プラズマの周期的空間密度分布または過渡回折格子
５    高強度ポンプパルスレーザー光の回折光
１１  気体もしくは液体
１２  高強度ポンプパルスレーザー光
１２ａ  高強度ポンプパルスレーザー光の主パルス
１２ｂ  高強度ポンプパルスレーザー光のプレパルス
１３  高強度プローブパルスレーザー光
１３ａ  高強度プローブパルスレーザー光の主パルス
１３ｂ  高強度プローブパルスレーザー光のプレパルス
１４  過渡回折格子素子
１５  自己回折光（プレパルスが抑制された高強度パルスレーザー光）
１５ａ  自己回折光の主パルス
３１ａ、３１ｂ  気体もしくは液体
３２ａ、３２ｂ  高強度ポンプパルスレーザー光
３３ａ、３３ｂ  高強度プローブパルスレーザー光
３４ａ  第一の過渡回折格子素子
３４ｂ  第二の過渡回折格子素子
３５  チャープパルスレーザー光
３６  第一の回折光
３７  第二の回折光（パルス圧縮された高強度パルスレーザー光）
４１  気体もしくは液体
４２  高強度プローブパルスレーザー光
４３  高強度前進ポンプパルスレーザー光
４４  高強度後進ポンプパルスレーザー光
４５  過渡回折格子素子
５１  気体もしくは液体
５２  正のチャープパルスレーザー光
５３  フーリエ限界パルス
５４  過渡回折格子素子
５５  スペクトル位相共役光
６１    高強度ポンプパルスレーザー光
６１’  レンズにより集光された高強度ポンプパルスレーザー光
６１ａ  高強度ポンプパルスレーザー光の回折光
６１”  高強度ポンプパルスレーザー光
６２    高強度ポンプパルスレーザー光
６２’  レンズにより集光された高強度ポンプパルスレーザー光
６２ａ  高強度ポンプパルスレーザー光の回折光
６２”  高強度ポンプパルスレーザー光
６３    高強度プローブパルスレーザー光
６３’  レンズにより集光された高強度プローブパルスレーザー光
６３ａ  高強度プローブパルスレーザー光の回折光
６３”  高強度プローブパルスレーザー光
６４    レンズ
６５    石英ガラス
６５ａ  交叉部
６６    プラズマの周期的空間密度分布または過渡回折格子
６７    レリーフ型回折格子
【図１】
2008052266.tif 000009
【図２】
2008052266.tif 000010
【図３】
2008052266.tif 000011
【図４】
2008052266.tif 000012
【図５】
2008052266.tif 000013
【図６】
2008052266.tif 000014
【図７】
2008052266.tif 000015
【図８】
2008052266.tif 000016
【図９】
2008052266.tif 000017
【図１０】
2008052266.tif 000018
【図１１】
2008052266.tif 000019