(57)【要約】【課題】複雑な光学系を用いることなく、パルスレーザを集光して高強度のレーザビームを得るための新規な装置及び方法を提供する。【解決手段】大きさの異なる相対向する一対の開口部２及び３を有する中空管１を準備する。中空管１の大きい方の開口部２より中空管１内部にパルスレーザ光を入射し、中空管１の内壁面１Ａ上において、中空管１の大きい方の開口部２から中空管１の小さい方の開口部２へ向けて前記パルスレーザ光を多重反射させて集光し、集光レーザビームを形成する。その後、前記集光レーザビームを中空管１の小さい方の開口部３より外部へ射出する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対向する一対の開口部を有する中空管からなり、一方の開口部はレーザ光導入口として機能するとともに、他方の開口部はレーザ光射出口として機能し、前記レーザ光導入口の直径を前記レーザ光射出口の直径よりも大きくしたことを特徴とする、レーザ光集光器。
【請求項２】
前記レーザ光導入口の前記直径は１００μｍ〜１０００μｍであり、前記レーザ光射出口の前記直径は１μｍ〜１００μｍであることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ光集光器。
【請求項３】
前記中空管の内面の平均表面粗さが０．１μｍ以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のレーザ光集光器。
【請求項４】
前記中空管は、Ｐｂ、Ｗ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ及びＦｅからなる群より選ばれる少なくとも一つからなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のレーザ光集光器。
【請求項５】
前記中空管は回転放物面形状を呈することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載のレーザ光集光器。
【請求項６】
前記中空管は円錐形状を呈することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載のレーザ光集光器。
【請求項７】
相対向する一対の開口部を有するように形成された複数のピットを有する所定の薄膜状部材からなり、前記複数のピットの一方の開口部はレーザ光導入口として機能するとともに、前記複数のピットの他方の開口部はレーザ光射出口として機能し、前記レーザ光導入口の直径を前記レーザ光射出口の直径よりも大きくしたことを特徴とする、レーザ光集光器。
【請求項８】
前記レーザ光導入口の前記直径は１００μｍ〜１０００μｍであり、前記レーザ光射出口の前記直径は１μｍ〜１００μｍであることを特徴とする、請求項７に記載のレーザ光集光器。
【請求項９】
前記複数のピットの内面の平均表面粗さが０．１μｍ以下であることを特徴とする、請求項７又は８に記載のレーザ光集光器。
【請求項１０】
前記薄膜状部材は、Ｐｂ、Ｗ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ及びＦｅからなる群より選ばれる少なくとも一つからなることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか一に記載のレーザ光集光器。
【請求項１１】
前記複数のピットは回転放物面形状を呈することを特徴とする、請求項７〜１０のいずれか一に記載のレーザ光集光器。
【請求項１２】
前記中空管は円錐形状を呈することを特徴とする、請求項７〜１１のいずれか一に記載のレーザ光集光器。
【請求項１３】
大きさの異なる相対向する一対の開口部を有する中空管を準備する工程と、
前記中空管の大きい方の開口部より前記中空管内部にパルスレーザ光を入射する工程と、
前記中空管の内壁面上において、前記中空管の前記大きい方の開口部から前記中空管の小さい方の開口部へ向けて前記パルスレーザ光を多重反射させて集光し、集光レーザビームを形成する工程と、
前記集光レーザビームを前記中空管の前記小さい方の開口部より外部へ射出する工程と、
を含むことを特徴とする、レーザ光集光方法。
【請求項１４】
前記中空管の前記内壁面上に、前記パルスレーザ光の波長よりも小さい厚さのプラズマ層を形成することを特徴とする、請求項１３に記載のレーザ光集光方法。
【請求項１５】
前記集光レーザビーム光のスポット径が１０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１３又は１４に記載のレーザ光集光方法。
【請求項１６】
相対向する一対の開口部を有するように形成された複数のピットを有する所定の薄膜状部材を準備する工程と、
前記複数のピットの大きい方の開口部より、前記複数のピットのそれぞれにパルスレーザ光を入射する工程と、
前記複数のピットのそれぞれの内壁面上において、前記ピットの前記大きい方の開口部から前記ピットの小さい方の開口部へ向けて前記パルスレーザ光を多重反射させて集光し、集光レーザビームを形成する工程と、
前記集光レーザビームを前記ピットの前記小さい方の開口部より外部へ射出する工程と、
を含むことを特徴とする、レーザ光集光方法。
【請求項１７】
前記ピットの前記内壁面上に、前記パルスレーザ光の波長よりも小さい厚さのプラズマ層を形成する形成することを特徴とする、請求項１６に記載のレーザ光集光方法。
【請求項１８】
前記集光レーザビーム光のスポット径が１０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１６又は１７に記載のレーザ光集光方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光集光器、及びレーザ光集光方法に関し、詳しくはレーザ核融合やレーザ誘起による原子核反応などの分野において好適に用いることのできるレーザ光集光器、及びレーザ光集光方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年においては、高強度短パルスレーザ光を用いて超高密度プラズマ（固体あるいはそれ以上の密度のプラズマ）を瞬間に加熱することにより核融合反応を生ぜしめることに関する研究開発が盛んに行われるとともに、高エネルギー粒子を生ぜしめて各種の構造解析などを行うことが盛んに行われるようになってきている。
【０００３】
従来においては、レーザ光源から発せられたレーザ光を所定のレンズ系や集光鏡を用いて集光し、高強度のレーザビームを得るようにしていた。しかしながら、従来の方法においては、レーザ光の波面ひずみなどのために前記レーザ光を高密度に集光させることは困難であり、実際実用に供するに足るスポット径１０μｍ以下の集光レーザビームを得ることは困難であった。かかる点に鑑み、光導波路などを備えた複雑な光学系を用いることによって、上述したような集光レーザビームを得る試みもなされているが、光学系が複雑であり操作性が極めて悪いとともに、極めて高価であるという問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した複雑な光学系を用いることなく、パルスレーザを集光して高強度のレーザビームを得るための新規な装置及び方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は、相対向する一対の開口部を有する中空管からなり、一方の開口部はレーザ光導入口として機能するとともに、他方の開口部はレーザ光射出口として機能し、前記レーザ光導入口の直径を前記レーザ光射出口の直径よりも大きくしたことを特徴とする、レーザ光集光器に関する。
【０００６】
また、本発明は、大きさの異なる相対向する一対の開口部を有する中空管を準備する工程と、
前記中空管の大きい方の開口部より前記中空管内部にパルスレーザ光を入射する工程と、
前記中空管の内壁面上において、前記中空管の前記大きい方の開口部から前記中空管の小さい方の開口部へ向けて前記パルスレーザ光を多重反射させて集光し、集光レーザビームを形成する工程と、
前記集光レーザビームを前記中空管の前記小さい方の開口部より外部へ射出する工程と、
を含むことを特徴とする、レーザ光集光方法に関する。
【０００７】
本発明者らは上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、相対向する一対の開口部を有する中空管を準備し、この中空管の大きい方の開口部から所定のパルスレーザ光を入射させると、前記中空管の内壁面上に例えば前記パルスレーザ光の波長よりも厚さの小さいプラズマ層が形成され、前記パルスレーザ光は前記中空管の内壁面上において、前記中空管の前記大きい方の開口部から前記中空管の小さい方の開口部へ向けて多重反射し、その結果、前記パルスレーザ光を高密度に集光することを見出した。したがって、前記中空管の前記小さい方の開口部の大きさを所望の大きさに設定することによって、１０μｍ程度の回折限界近傍まで高密度に集光させたレーザビームを得、外部へ射出できることを見出したものである。
【０００８】
本発明によれば、大きさの異なる相対向する一対の開口部を有する中空管を用いるのみであるので、高強度レーザビームを極めて簡易に得ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明のレーザ光集光器の一例を示す斜視図である。図１に示すレーザ光集光器は、相対向する一対の開口部２及び３を有し、回転放物面形状の中空管１からなる。
【００１０】
開口部２はレーザ光導入口として機能し、開口部３はレーザ光射出口として機能する。開口部２の直径Ｄは開口部３の直径ｄよりも大きく設定する。具体的には、開口部２の直径Ｄは１００μｍ〜１０００μｍに設定することが好ましく、さらには２００μｍ〜５００μｍに設定することが好ましい。また、開口部３の直径ｄは１μｍ〜１００μｍであることが好ましく、さらには５μｍ〜５０μｍであることが好ましい。これによって、導入したパルスレーザ光の集光をより効率良く行うことができ、回折限界に近いスポット径を有するレーザビームを簡易に得ることができるようになる。例えば、波長１μｍのレーザ光を用いた場合においては、１０μｍ程度のスポット径の集光レーザビームを得ることができる。
【００１１】
なお、開口部２の直径Ｄ及び開口部３の直径ｄを上述したように設定した場合、中空管１の長さＬは０．２ｍｍ〜２ｍｍに設定することが好ましい。
【００１２】
中空管１は入射したパルスレーザ光に対して耐性を示すものであれば如何なる材料からも構成することができる。しかしながら、より高い耐性を示すとともに、高い強度を有し、種々の装置内への取り付けなどのハンドリングが容易になるなどの観点から、Ｐｂ、Ｗ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ及びＦｅからなる群より選ばれる少なくとも一種から構成することが好ましい。
【００１３】
なお、中空管１の側壁１Ｂの厚さｔは、上記同様の理由から、例えば中空管１を前述した重金属やＡｕなどから構成した場合は、５μｍ〜５０μｍに設定する。
【００１４】
また、中空管１内に導入したパルスレーザ光の多重反射をエネルギー損失なくより効率的に行うためには、中空管１内の内壁面１Ａが平滑であることが好ましく、具体的には表面平均粗さＲａで０．１μｍ以下、さらには０．０５μｍ以下であることが好ましい。
【００１５】
次に、図１に示すレーザ光集光器を用いてレーザ光が集光される原理について説明する。図示しない所定のレーザ光源から発せられたパルスレーザ光はある程度の広がりを持った状態で開口部２から中空管１内に導入される。前記パルスレーザ光が中空管１内に入射すると、中空管１の内壁面１Ａ上には、前記パルスレーザ光の波長よりも小さい厚さのプラズマ層が形成される。
【００１６】
すると、前記パルスレーザ光の上方成分Ａは、中空管１内に入射すると内壁面１Ａと衝突し、上下に位置する内壁面１Ａ上で矢印で示すように多重反射しながら開口部３へと向かうようになる。同様に、前記パルスレーザ光の下方成分Ｃは、中空管１内に入射すると内壁面１Ａと衝突し、上下に位置する内壁面１Ａ上で矢印で示すように多重反射しながら開口部３へと向かうようになる。また、前記パルスレーザ光の中心成分Ｂは、中空管１に入射すると何ら衝突することなく矢印で示すように開口部３へと向かう。
【００１７】
上述したように、開口部２の直径Ｄは開口部３の直径ｄよりも大きく、すなわち開口部３の直径ｄは開口部２の直径Ｄよりも小さく形成されているので、前記パルスレーザ光の上方成分Ａ及び下方成分Ｂが開口部３へ向かう際に、これらは中空管１の中央部に収束するようになる。したがって、開口部３近傍では開口部２より導入した前記パルスレーザ光が集光してなる集光レーザビームが形成され、開口部３より外部へ取り出すことができるようになる。
【００１８】
上述したように、例えば波長１μｍのパルスレーザ光の場合は、スポット径が約１０μｍとなるまで簡易に集光することができる。また、中空管１の形状及び大きさなどを適宜に制御することによって、スポット径が１μｍ程度となるまで集光させることができる。
【００１９】
図２は、本発明のレーザ光集光器の他の例を示す斜視図である。図２に示すレーザ光集光器は、相対向する一対の開口部１２及び１３を有し、円錐形状の中空管１１からなる。このように円錐形状の中空管１１を用いた場合においても、図１に示すレーザ光集光器同様にパルスレーザ光の集光を効率良く行うことができる。中空管１１に要求される特性は図１に示す場合と同様である。
【００２０】
開口部１２の直径Ｄは前記同様に１００μｍ〜１０００μｍ、さらには２００μｍ〜５００μｍに設定することが好ましい。また、開口部１３の直径ｄは前記同様に１μｍ〜１００μｍ、さらには５μｍ〜５０μｍに設定することが好ましい。さらに、中空管１１は前記同様の重金属などから構成することが好ましく、内壁面１１Ａの平均表面粗さＲａが０．１μｍ以下、さらには０．０５μｍ以下であることが好ましい。さらに、中空管１１の長さＬは０．２ｍｍ〜２ｍｍに設定し、中空管１１の側壁の厚さｔは５μｍ〜５０μｍに設定することが好ましい。
【００２１】
図１に示す場合と同様に、図示しない所定のレーザ光源から発せられたパルスレーザ光はある程度の広がりを持った状態で開口部１２から中空管１１内に導入され、中空管１１の内壁面１１Ａ上に前記パルスレーザ光の波長よりも小さい厚さのプラズマ層が形成する。すると、前記パルスレーザ光の上方成分Ａは、中空管１１内に入射すると内壁面１１Ａと衝突し、上下に位置する内壁面１Ａ上で矢印で示すように多重反射しながら開口部３へと向かい、中央部に収束するようになる。同様に、前記パルスレーザ光の下方成分Ｃは、中空管１１内に入射すると内壁面１１Ａと衝突し、上下に位置する内壁面１１Ａ上で矢印で示すように多重反射しながら開口部３へと向かい、収束するようになる。また、前記パルスレーザ光の中心成分Ｂは、中空管１１に入射すると何ら衝突することなく矢印で示すように開口部１３へと向かう。
【００２２】
したがって、開口部１３近傍では開口部１２より導入した前記パルスレーザ光が集光してなる集光レーザビームが形成され、開口部１３より外部へ取り出すことができるようになる。そして、例えば波長１μｍのパルスレーザ光の場合は、スポット径が約１０μｍとなるまで簡易に集光することができ、中空管１の形状及び大きさなどを適宜に制御することによって、スポット径が１μｍ程度となるまで集光させることができるようになる。
【００２３】
図３〜図５は本発明のレーザ光集光器の変形例を示す構成図である。図３は、レーザ光集光器を示す平面図であり、図４及び図５は、図３に示すレーザ光集光器のＸ−Ｘ線に沿って切った場合の断面図である。図３〜図５に示すレーザ光集光器は、相対向する一対の開口部２２及び２３を有するように形成された複数のピット２５を有する所定の薄膜状部材２１からなる。各ピット２５は図４及び図５に示すように、図１及び図２に示す中空管１及び１１と同様に回転放物面形状又は円錐形状を呈するように形成することができる。
【００２４】
各ピット２５の開口部２２の直径Ｄ及び開口部２３の直径ｄ、並びに厚さＬは、図１及び図２に示すレーザ光集光器の中空管１及び１１と同様に設定する。また、ピット２５の内壁面２５Ａの表面粗さＲａについても、図１及び図２に示すレーザ光集光器と同様に設定し、平滑にする。
【００２５】
図示しない所定のレーザ光源から発せられたパルスレーザ光はある程度の広がりを持った状態で、薄膜状部材２１のピット２５の開口部２２からピット２５内に導入する。すると、図１及び図２に示すレーザ光集光器において説明したように、ピット２５の内壁面２５Ａには前記パルスレーザ光の波長よりも小さい厚さのプラズマ層が形成され、前記パルスレーザ光の上方成分及び下方成分は、ピット２５の内壁面２５Ａ上で多重反射して開口部２３へ向かうと同時に中央部に収束するようになる。したがって、開口部２３近傍では前記パルスレーザ光が高密度に集光したレーザビームが形成され、開口部２３より外部へ射出される。
【００２６】
すなわち、図３〜図５に示すレーザ光集光器において、ピット２５は図１及び図２に示すような中空管１及び１１と同様に機能する。したがって、図３〜図５に示すレーザ光集光器は、図１及び２に示すレーザ光集光器が複数設けられたような構成を呈する。この結果、複数のパルスレーザ光を同時に集光し、複数の高密度レーザビームを同時に生成することができるようになる。
【００２７】
なお、薄膜状部材２１は中空管１及び１１同様に、Ｐｂ、Ｗ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ及びＦｅからなる群より選ばれる少なくとも一種から構成することが好ましい。
【００２８】
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。例えば、上記具体例においては、中空管又はピットの形状を回転放物面形状又は円錐形状としたが、本発明の目的を達成できるものであれば、上記以外の如何なる形状の中空管又はピットを採用することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、複雑な光学系を用いることなく、パルスレーザを集光して高強度のレーザビームを得るための新規な装置及び方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ光集光器の一例を示す斜視図である。
【図２】本発明のレーザ集光器の他の例を示す斜視図である。
【図３】本発明のレーザ光集光器の変形例を示す平面図である。
【図４】図３に示すレーザ光集光器のＸ−Ｘ線に沿って切った場合の断面図である。
【図５】図３に示すレーザ光集光器のＸ−Ｘ線に沿って切った場合の断面図である。
【符号の説明】
１、１１　中空管
１Ｂ、１１Ｂ　中空管の内壁面
２、３、１２、１３、２２、２３　開口部
２１　薄膜状部材
２５　ピット
２５Ａ　ピットの内壁面
【図１】
2004055819.tif 000003
【図２】
2004055819.tif 000004
【図３】
2004055819.tif 000005
【図４】
2004055819.tif 000006
【図５】
2004055819.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成14年7月26日(2002.7.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2004055819.tif 000008
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2004055819.tif 000009
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2004055819.tif 000010
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2004055819.tif 000011