(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力レーザ光のコヒーレント重ね合わせによって共振器内レーザ光（１）を生成するよう構成された増強共振器（２０）であって、
−  １つの共通共振器平面におけるレーザ光増幅媒質のない循環共振器経路にわたる少なくとも３つの共振器ミラー（２１、２２、２３、２４）を含み、
特徴として、
−  前記少なくとも３つの共振器ミラー（２１、２２、２３、２４）は、少なくとも２つのトロイダル・ミラーおよび／または少なくとも１つのシリンドリカル・ミラーを含むものであり、
−  前記少なくとも３つの共振器ミラー（２１、２２、２３、２４）は、前記少なくとも３つの共振器ミラー（２１、２２、２３、２４）の反射面における入射伝播方向に垂直な共振器内レーザ光（１）の断面積の差が前記断面積の中のいずれを基準にしても互いに±１０％以下となるように、構成されているものである、
増強共振器。
【請求項２】
前記少なくとも３つの共振器ミラー（２１、２２、２３、２４）は、前記少なくとも２つのトロイダル・ミラーおよび少なくとも１つの平面ミラーを含むものである、請求項１に記載の増強共振器。
【請求項３】
ボウタイ構成を有する、２つのトロイダル・ミラーおよび２つの平面ミラーを含む、請求項２に記載の増強共振器。
【請求項４】
入射角が全てのミラー上で少なくとも３０度である構成を有する、２つのトロイダル・ミラーおよび少なくとも１つの平面ミラーを含む、請求項２に記載の増強共振器。
【請求項５】
前記２つのトロイダル・ミラーは同じ面形状および曲率を有するものである、請求項１乃至４のいずれかに記載の増強共振器。
【請求項６】
前記トロイダル・ミラーの各ミラーは、所与の入射角に対して、前記共振器平面および前記共振器平面に垂直な平面において同じ焦点距離を有するものである、請求項１乃至５のいずれかに記載の増強共振器。
【請求項７】
前記少なくとも３つの共振器ミラー（２１、２２、２３、２４）は、前記少なくとも１つのシリンドリカル・ミラーおよび少なくとも２つの球面ミラーを含むものである、請求項１に記載の増強共振器。
【請求項８】
ボウタイ構成を有する、２つのシリンドリカル・ミラーおよび２つの球面ミラーを含む、請求項７に記載の増強共振器。
【請求項９】
前記２つの球面ミラーは同じ面形状および曲率を有し、および前記２つのシリンドリカル・ミラーは同じ面形状および曲率を有するものである、請求項７または８に記載の増強共振器。
【請求項１０】
前記少なくとも２つのトロイダル・ミラーおよび／または前記少なくとも１つのシリンドリカル・ミラーは、変形可能な表面を有する適応型反射器を含むものである、請求項１乃至９のいずれかに記載の増強共振器。
【請求項１１】
前記少なくとも３つの共振器ミラー（２１、２２、２３、２４）は、前記少なくとも３つの共振器ミラー（２１、２２、２３、２４）の反射面における入射伝播方向に垂直な共振器内レーザ光（１）の断面積の差が前記断面積の中のいずれを基準にしても互いに±５％以下となるように、構成されているものである、請求項１乃至１０のいずれかに記載の増強共振器。
【請求項１２】
前記少なくとも３つの共振器ミラー（２１、２２、２３、２４）は、前記断面積が同じであるかまたは前記断面積の差が前記断面積の中のいずれを基準にしても互いに±１％以下となるように、構成されているものである、請求項１１に記載の増強共振器。
【請求項１３】
前記少なくとも３つの共振器ミラー（２１、２２、２３、２４）は、前記伝播方向に垂直な前記共振器内レーザ光（１）の断面領域が円形状を有するように、構成されているものである、請求項１乃至１２のいずれかに記載の増強共振器。
【請求項１４】
前記少なくとも３つの共振器ミラー（２１、２２、２３、２４）は、前記共振器ミラー（２１、２２、２３、２４）の反射面上の前記入射伝播方向に垂直な前記共振器内レーザ光（１）の断面領域が楕円形状を有し、前記楕円形状のより長い主軸が前記共振器平面に平行であるように、構成されているものである、請求項１乃至１２のいずれかに記載の増強共振器。
【請求項１５】
−  前記共振器経路は、前記共振器内レーザ光（１）のビーム整形のために配置される屈折要素がない、
−  他の折畳み平面ミラーが前記共振器経路の折り畳まれた構成を形成する、および
−  前記共振器内レーザ光と、ターゲット材料とまたは前記増強共振器（２０）の外部の電子束との相互作用によって形成された放射を結合するよう構成された出力結合装置が設けられる、
という特徴のうちの少なくとも１つの特徴を含む、請求項１乃至１４のいずれかに記載の増強共振器。
【請求項１６】
前記出力結合装置は、前記形成された放射を出力結合するための開孔を有する前記共振器ミラーの中の１つのミラーを含むものである、請求項１５に記載の増強共振器。
【請求項１７】
前記共振器ミラー（２１、２２、２３、２４）の中の球面ミラーおよび／またはトロイダル・ミラー上の前記共振器経路の入射角が１０度未満である、請求項１乃至１６のいずれかに記載の増強共振器。
【請求項１８】
−  入力レーザ光（２）を供給するよう配置されたレーザ源装置（１０）と、
−  請求項１乃至１７のいずれかに記載の増強共振器（２０）と、
を含み、
−  前記レーザ源装置（１０）は、前記入力レーザ光（２）を前記増強共振器（２０）内に結合するよう配置されているものである、
レーザ装置。
【請求項１９】
共振器内レーザ光（１）を生成する方法であって、
−  １つの共通の共振器平面におけるレーザ光増幅媒質のない循環共振器経路にわたる少なくとも３つの共振器ミラー（２１、２２、２３、２４）を含む増強共振器（２０）内に、入力レーザ光（２）を結合するステップと、
−  前記共振器内レーザ光（１）が形成されるよう前記増強共振器において前記入力レーザ光（２）をコヒーレントに重ね合わせるステップと、
を含み、
特徴として、
−  前記少なくとも３つの共振器ミラー（２１、２２、２３、２４）は、少なくとも２つのトロイダル・ミラーおよび／または少なくとも１つのシリンドリカル・ミラーを含むものであり、
−  さらに、前記少なくとも３つの共振器ミラー（２１、２２、２３、２４）の反射面上の入射伝播方向に垂直な前記共振器内レーザ光（１）の断面積の差が前記断面積の中のいずれを基準にしても互いに±１０％以下となるように、前記少なくとも３つの共振器ミラー（２１、２２、２３、２４）を構成するステップ
を含む方法。
【請求項２０】
前記共振器経路は、前記少なくとも２つのトロイダル・ミラーおよび少なくとも１つの平面ミラーによって形成されるものである、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記共振器経路は、前記少なくとも１つのシリンドリカル・ミラーおよび少なくとも２つの球面ミラーによって形成されるものである、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記共振器経路は、ボウタイまたは三角形構成を有するように形成されている、請求項１９乃至２１のいずれかに記載の方法。
【請求項２３】
−  前記少なくとも２つのトロイダル・ミラーおよび／または前記少なくとも１つのシリンドリカル・ミラーは、変形可能な表面を有する適応型反射器を含み、
−  前記適応型反射器の前記変形可能な表面を設定するステップを含む、請求項１９乃至２２のいずれかに記載の方法。
【請求項２４】
前記少なくとも３つの共振器ミラーを構成する前記ステップは、前記少なくとも３つの共振器ミラー（２１、２２、２３、２４）の反射面上の入射伝播方向に垂直な前記共振器内レーザ光（１）の断面積の差が前記断面積の中のいずれを基準にしても互いに±５％以下となるように、前記少なくとも３つの共振器ミラー（２１、２２、２３、２４）を構成することを含むものである、請求項１９乃至２３のいずれかに記載の方法。
【請求項２５】
前記少なくとも３つの共振器ミラー（２１、２２、２３、２４）は、前記断面積が同じであるかまたは前記断面積の差が前記断面積の中のいずれを基準にしても互いに±１％以下となるように、構成されているものである、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記伝播方向に垂直な前記共振器内レーザ光（１）の断面領域が円形状を有するように、前記少なくとも３つの共振器ミラー（２１、２２、２３、２４）を構成するステップを含む、請求項１９乃至２５のいずれかに記載の方法。
【請求項２７】
前記共振器ミラー（２１、２２、２３、２４）の反射面上の入射伝播方向に垂直な前記共振器内レーザ光（１）の断面領域が楕円形状であり、前記楕円形状のより長い主軸が前記共振器平面に平行であるように、前記少なくとも３つの共振器ミラー（２１、２２、２３、２４）を構成するステップを含む、請求項１９乃至２５のいずれかに記載の方法。
【請求項２８】
前記共振器経路は、他の折畳み平面ミラーを用いて折り畳まれているものである、請求項１９乃至２７のいずれかに記載の方法。
【請求項２９】
−  前記共振器ミラーの中の２つのミラーの間の少なくとも１つの焦点位置（２５）にまたはその付近にターゲット材料または電子束を配置するステップと、
−  前記ターゲット材料または前記電子束を、前記少なくとも１つの焦点位置（２５）にまたはその付近に前記共振器内レーザ光（１）と相互作用させるステップと、
をさらに含む、請求項１９乃至２８のいずれかに記載の方法。
【請求項３０】
前記増強共振器（２０）の外部で前記相互作用によって形成されたコヒーレントな放射を出力結合する、または前記増強共振器（２０）内で前記相互作用によって形成された非コヒーレントな放射を収集して導くステップを含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記コヒーレントな放射は、前記共振器ミラーの中の１つのミラーにおける開孔を通して出力結合することによって、前記増強共振器（２０）の外部で結合されるものである、請求項３０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばパルス状レーザ光または連続波（ｃｗ：連続発振）レーザ光のようなレーザ光のコヒーレント重ね合せ（coherent superposition）（またはコヒーレント加算（coherent addition）によって共振器内レーザ光を生成するよう構成された増強共振器に関する。さらに、本発明は、レーザ源装置および増強共振器を含むレーザ装置に関する。さらに、本発明は、増強共振器（増強キャビティ、ＥＣ）においてレーザ光のコヒーレント重ね合せによって共振器内レーザ光を生成する方法に関する。本発明の適用例は、特に、増強共振器内に格納されたレーザ光と、例えば、各々がビーム構成要素のクラスタ化されたまたは非クラスタ化された構造かまたは光速に近い複数束の電子である原子または分子ビーム（線）との間の相互作用によって、コヒーレントまたは非コヒーレントのＸＵＶ（極紫外線）、ソフトおよびハードＸ線、またはテラヘルツ（ＴＨｚ）放射（光、線、波）を生成する技術分野において利用可能である。生成された放射は、特に、レーザ分光法（例えば、ポンプ−プローブ実験（pump-probe-experiments））、結像または画像処理（imaging）、リトグラフィおよびホログラフィに用いることができる。
【背景技術】
【０００２】
パッシブ（受動）型または無電源の光共振器は、そのコヒーレンスによって入力レーザ光照射野と共振器内の照射野との間の一定の位相関係が可能になると、レーザ光によって効率的に励起される。適正な共振条件では、エネルギが増強キャビティ（ＥＣ）に連続的に結合（供給）され、キャビティ内で循環する（circulating：繰り返し往復して伝播する）パワーが入力レーザ光パワーより大きい数オーダの大きさとなることができその増強が共振器の往復損失および色分散によって制限されるような静的状態が可能になる。共振器は、キャビティ内（intra-cavity：空洞内、空胴内）光の照射野分布（または電界分布）が共振器内の各循環で繰り返される場合に、安定である、と称せられる。各共振器は、或る安定範囲または安定領域（幾何学的パラメータの範囲）によって特徴付けられる。安定範囲は、例えば共振器平面に対するミラー距離およびミラー傾斜のような、ミラー位置（配置）の幾何学的特性によって決まり（に依存し）、また、例えばミラーの焦点距離のような光学的特性によって決まる（に依存する）。安定範囲の端縁では、即ち安定なＥＣ動作を可能にするパラメータ範囲の端縁では、パラメータの僅かな変化、例えばミラー間の僅かに変化する距離が、コヒーレント光の増強を基本的に損ないまたは完全に劣化させ得る。安定範囲の異なる端縁では、共振器は、調整不良および振動に対して異なる感受性または感度を有する。安定範囲の一端縁の近くでの動作が望ましい場合、調整不良に対する低い感受性を有する共振器の構成が好ましい。
【０００３】
一般的に、光非線形プロセスの効率は駆動強度と共に増大するので、ＥＣ技術は、キャビティ内非線形プロセスを介したレーザ光の効率的な変換に向いている。非線形媒質中を通過したときの基本的キャビティ内光の変換は往復損失を示し、往復損失は、適用する非線形則に従って損失閾値制約下で調整して、最適な正味の変換を生じさせる非線形媒質における強度（合計の変換されたパワーを入力パワーで除算したもの）に達するようにすることができる。
【０００４】
連続波またはパルス状放射のその高調波への効率的変換のためのＥＣの多数の適用例が提案されてきた（I. Pupeza, "Power Scaling of Enhancement Cavities for Nonlinear Optics", Springer Theses, Springer New York, 2012, Section 1.2, overview、および米国特許出願公開第２００６／０２６８９４９号Ａ１、米国特許６０３８０５５号参照）。パルス状放射の共振増強は、各個々の櫛型（comb）ラインをキャビティ共振へ結合することを可能にするモード同期（ロック）レーザ（mode-locked laser）によって放射されるスペクトルの周波数櫛型構造によって可能になる。これは、時間領域では、キャビティ往復時間がパルス繰返し周期の倍数に対応することを意味する。これによって、ＥＣは、数ＭＨｚ乃至数ＧＨｚの繰返し周波数（レート）のパルス列の増強に適したものとなる。最近、近赤外キャビティ内フェムト秒パルスで、数十ｋＷのオーダの平均パワーに達した（A. Cingoz et al. in "Nature" 482, 68-71 (2012)、I. Pupeza et al. in "Optics Letters" 35, 2052-2054 (2010)、J. Lee et al. in "Optics Express" 19, 23315-23326 (2011)参照）が、これは、この範囲の繰返し周波数で動作する増幅型レーザ系における進歩のおかげである。最近では、キャビティ内で１０１４Ｗ／ｃｍ２のオーダの焦点強度が、数十ＭＨｚの繰返し周波数ですぐに達成できる。これらの系の開発の主要な動機付けの１つは、気体中での高次の高調波生成（ＨＨＧ）による明るいコヒーレントな極紫外線（ＸＵＶ）放射のテーブルトップ（卓上）での生成である（C. Gohle et al. in "Nature" 436, 234-237 (2005)、R. J. Jones et al. in "Physical Review Letters" 94, 193201 (2005)参照）。ごく最近、この分野で重要な新しい結果が達成された。それは、例えば、テーブル・トップ系用の記録的ＸＵＶ平均パワー約２０ｅＶ、および１００ＭＨｚに近い繰返し周波数のフォトン・エネルギ約１００ｅＶを有する放射の最初の実験である（I. Pupeza et al. in "Ultrafast Phenomena XVIII", Proceedings of the 18th International Conference, Lausanne, Switzerland, 2012参照）。これらの実験によって、ＥＣに基づくＨＨＧの可能性が確認され、また、生成された放射のフォトン束をさらに増大させる実行可能な方法が、非線形相互作用体積（ボリューム）すなわち焦点サイズと共にキャビティ内パワー・レベルを増大させることで構成されることが示された。また、このスケーリング（増大）は、他の変換プロセスの利益になり、例えば、光速に近い電子束との正面衝突からの循環フォトンのトムソン（逆コンプトン）散乱による硬Ｘ線の生成またはテラヘルツ（ＴＨｚ）光の生成の利益になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／０２６８９４９号
【特許文献２】米国特許６０３８０５５号
【特許文献３】国際公開第２０１１／０６０８０５号
【特許文献４】国際公開第２０１２／０３１６０７号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】I. Pupeza, "Power Scaling of Enhancement Cavities for Nonlinear Optics", Springer Theses, Springer New York, 2012, Section 1.2, overview
【非特許文献２】A. Cingoz et al. in "Nature" 482, 68-71 (2012)
【非特許文献３】I. Pupeza et al. in "Optics Letters" 35, 2052-2054 (2010)
【非特許文献４】J. Lee et al. in "Optics Express" 19, 23315-23326 (2011)
【非特許文献５】C. Gohle et al. in "Nature" 436, 234-237 (2005)
【非特許文献６】R. J. Jones et al. in "Physical Review Letters" 94, 193201 (2005)
【非特許文献７】I. Pupeza et al. in "Ultrafast Phenomena XVIII", Proceedings of the 18th International Conference, Lausanne, Switzerland, 2012
【非特許文献８】H. R. Bilger et al.、"Origins of fundamental limits for reflection losses at multilayer dielectric mirrors", Appl. Opt., Vol.33, No. 31, p.7390-7396 (1994)
【発明の開示】
【０００７】
しかし、より高い平均パワーおよびより短いパルス持続時間への重要な進歩が、近年において高い繰返し周波数のレーザで、現在の誘電性のレーザ・ミラーを用いる標準設計のフェムト秒のＥＣで達成された一方で、別のパワー・スケーリングが、強度に関連するミラー損失によって妨げられる。Ｉ・プペツァ氏他（I. Pupeza et al.）（"Optics Letters" 35, 2052-2054 (2010)）は、強い強度がミラー損傷の主要な原因であると説明した。ミラー技術の進歩によって将来的に損傷閾値が改善され得る一方で、この問題に対する独立の解決法としてミラー上に大きいスポット・サイズを有する共振器の開発に関心が集まっている。その理由は、ミラー面で強度と熱勾配の双方が減少するからである。
【０００８】
国際公開第２０１１／０６０８０５号に開示されている高いパワーのレーザ光を生成する方法では、共振器ミラーは平面ミラーおよび放物面ミラーを含み、これらのミラーに、傾斜した入射角で増強共振器において循環する少なくとも１つのレーザ光パルスが照射される。傾斜した入射角によって、共振器ミラー面上でレーザ・ビームによって照射される領域が増大し、従ってミラー面上で強度と熱勾配の双方が減少する。しかし、この技術は、複雑なミラーおよびミラー配置の設計による欠点があり得、望ましくない偏波（偏向）識別効果を生じさせ得る。
【０００９】
国際公開第２０１２／０３１６０７号には、デチューン（低性能化）された同心構成の複数の球面湾曲共振器ミラーを有するＥＣにおいてレーザ光を生成する別の方法が開示されている。同心共振器の内在する不安定性に反して、デチューンされた同心構成は、安定端縁の近くで動作できるＥＣの充分な安定性を実現し、その結果としてミラー上のビーム半径が増大する。それにもかかわらず、国際公開第２０１２／０３１６０７号の技術には、ビーム直径の増大と共に発生する楕円ビーム形状の歪みに関する欠点がある。
【００１０】
ビーム直径を拡大することによってピーク・パワーを減少させると、その結果、ＥＣにおいて光路に沿って円形断面から楕円断面への光照射野の歪みを生じさせる非点収差（astigmatism）効果が生じる。楕円（率）の方向は、キャビティ構成によって予め決定される。これが特に有害な効果を有するのは、ＥＣがビーム直径の拡大で調整され、従って安定範囲の各端縁付近で動作するときである。
【００１１】
発明の目的
本発明の目的または課題は、通常の技術の欠点を解消することができる改良された増強共振器を実現することである。特に、その増強共振器は、非点収差効果を回避しつつ、ビーム直径を拡大しおよび／またはキャビティ内光のビーム断面を整形することができ、例えば、全てのミラー上のビーム直径を拡大することができるものである。さらに、本発明の目的または課題は、増強共振器を含む改良されたレーザ装置を実現することである。さらに、本発明の目的または課題は、通常の増強共振器技術の限界を回避することができるような、高いパワーのレーザ光を生成する改良された方法を実現することである。
【００１２】
発明の概要
これらの目的または課題は、独立請求項の特徴を含む、増強共振器、レーザ装置、およびキャビティ内レーザ光を生成する方法によって達成または解決される。本発明の好ましい実施形態および適用例が従属請求項に記載されている。
【００１３】
本発明の第１の観点によれば、上述の目的または課題は、入力レーザ光をコヒーレントに重ね合わせることによって共振器内レーザ光を生成するよう構成された増強共振器によって達成または解決される。その増強共振器は、１つの共通共振器平面における循環（リング状）共振器経路（パス）にわたる少なくとも３つの共振器ミラーを含み、その共振器の経路には、レーザ光増幅媒質（レーザ媒質、活性レーザ発光が可能な材料）がない。本発明によれば、少なくとも３つの共振器ミラーは、少なくとも１つの非球面湾曲ミラー、即ち球面から逸脱した湾曲反射面を有する少なくとも１つのミラー、を含んでいる。少なくとも１つの非球面ミラーは、少なくとも２つのトロイダル・ミラー（またはトロイダル反射器）および／または少なくとも１つのシリンドリカル（円筒状）ミラーを含んでいる。それらのトロイダル・ミラーは、共振器の正接面（共振器平面）および矢状面（共振器平面に垂直な面）において同じ焦点距離を形成することに関して、特別な利点を有する。シリンドリカル・ミラーを使用する利点は、優れた反射面品質を有する標準的要素としてのシリンドリカル・ミラーが利用可能なことである。共振器ミラーは、放物面反射器を含まないことが好ましい。
【００１４】
本発明の第２の観点によれば、上述の目的または課題は、入力レーザ光を形成するよう適合化されたレーザ源装置と、本発明の上述の第１の観点による増強共振器とを含むレーザ装置によって達成または解決される。レーザ源装置および増強共振器は、入力レーザ光を増強共振器内に結合でき増強共振器においてコヒーレントに増強することができる形態で配置される。
【００１５】
本発明の第３の観点によれば、上述の目的または課題は共振器内レーザ光を生成する方法によって達成または解決され、その方法は、入力レーザ光を増強共振器内に結合するステップを含み、その共振器は本発明の上述の第１の観点による増強共振器であることが好ましく、さらに、共振器内レーザ光が形成される形態で増強共振器において入力レーザ光をコヒーレントに重ね合わせるステップを含んでいる。本発明によれば、増強共振器の共振器ミラーは、少なくとも２つのトロイダル・ミラーおよび／または少なくとも１つのシリンドリカル・ミラーを含む少なくとも１つの非球面湾曲ミラーを含んでいる。
【００１６】
少なくとも１つの非球面湾曲ミラーは、共振器平面に対して異なる曲率半径を有する。例えば、トロイダル・ミラー（トロイダル反射面）は、共振器平面に平行な第１の曲率半径と、共振器平面に垂直な第２の曲率半径とを有する。第１と第２の曲率半径は互いに異なる。第１の曲率半径は第２の曲率半径より大きいことが好ましい。別の例として、シリンドリカル・ミラーのシリンドリカル（円筒状）反射面は、共振器平面に平行な湾曲面の第１の曲率半径を有し、かつ共振器平面に垂直な湾曲（面）を有しない、またはその逆である。共振器設計に応じて、共振器ミラーは、入射キャビティ内光に対して凹状または凸状の形状を有してもよく、または共振器ミラーの少なくとも１つは平面反射面を有してもよい。
【００１７】
利点として、本発明は、実際に実現された通常の技術と比較して、共振器ミラー上のキャビティ内レーザ光のビーム領域（面積）が少なくとも１０乃至３０の係数だけ拡大でき、増強共振器が安定範囲の端縁のうちの１つの端縁付近で動作し、それと同時にキャビティ内レーザ光の楕円率が調整できる形態で、共振器ミラーを設計できる、という発明者の発見によって、上述の目的または課題を達成しまたは解決する。特に、５ｍｍ（１／ｅ２強度半径）またはそれより大きい共振器ミラー上のビーム直径を得ることができる。より高次の横モードを用いることによって焦点と各ミラー上の各スポットとの間の大きい強度比を与える通常のキャビティ実装とは対照的に、本発明による強度共振器は共振器の基本モードで動作することもできる。
【００１８】
増強共振器の適用例に応じて、キャビティ内ビームの楕円率は、その楕円率（非点収差）が補償されるように調整でき、その結果として安定領域の端縁付近で増強共振器の改善された動作が得られる。円形ビームを用いると、ミラー上のより大きいスポット・サイズもが達成される。さらに、例えばＨＨＧのような非線形効果用の相互作用体積および位相マッチングが、円形ビームで最適化される。代替形態として、特定の適用例に関して、キャビティ内ビームの楕円率は、キャビティ内光の所定の楕円断面形状が増強共振器焦点の１つで得られ、従って、以下で説明するように、より高い高調波放射または基本放射自体の形成および／または増強共振器からの出力結合の効率を改善する。
【００１９】
通常の増強共振器とは対照的に、少なくとも１つの非球面湾曲ミラーは、ビーム直径および楕円率が互いに独立に設定できるような別の自由度を与える。本発明は、頑強な光増強共振器の設計に、全てのミラー上で大きいスポット・サイズを与え、ミラー面上の強度と熱的勾配の双方を減少させることによって通常の増強共振器の限界を緩和する見込みのある手段（measure：尺度、測定）を提供する。高い繰返し周波数のレーザと協働して、本発明によるキャビティは、フェムト秒のパルスをＭＷ平均パワー・レベルに増強する可能性を提供する。本発明の好ましい実施形態では、増強共振器は反射要素を排他的に用いて設計され、特に共振器経路は共振器内レーザ光のビーム整形のために配置される屈折要素がないので、キャビティ内光の増強共振器内の材料との望ましくない相互作用を回避できる。排他的に反射する要素は、小さい分散、小さい損失、熱的および非線形効果の最小化に関して、利点がある。国際公開第２０１１／０６０８０５号のＥＣに反して、本発明は、放物面ミラーと、その潜在的な欠点とを回避する。
【００２０】
利点として、本発明の特定の適用例に応じて選択できる複数の増強共振器設計が利用可能である。第１の変形例によれば、少なくとも３つの共振器ミラーは、上述の少なくとも２つのトロイダル・ミラーおよび少なくとも１つの平面ミラーを含んでいる。利点として、２つのトロイダル・ミラーおよび少なくとも１つの平面ミラーからなる３つのミラーのグループを用いて、小型の設計が得られる。代替形態として、増強共振器は、２つのトロイダル・ミラーおよび２つの平面ミラーを含んでもよく、それによって利点としていわゆるボウタイ（蝶ネクタイ）構成が得られる。第２の変形例によれば、少なくとも３つの共振器ミラーは、少なくとも１つのシリンドリカル・ミラーおよび少なくとも２つの球面ミラーを含んでいる。この変形例では、２つのシリンドリカル・ミラーおよび２つの球面ミラーはボウタイ構成を有するように設けられることが好ましい。第３の変形例によれば、少なくとも１つのシリンドリカル・ミラーおよび少なくとも１つの球面ミラーを増強共振器に設けることができる。再び、ビーム直径および楕円率に関してキャビティ内光を設計するための更なる自由度が得られる。
【００２１】
共振器ミラー上の入射角に関して異なる他の複数の増強共振器設計が可能である。本発明の好ましい実施形態によれば、球面および／またはトロイダル共振器ミラーを、近似的に垂直な入射角で配置することができ、特に、例えば１０度未満のような２０度未満の各共振器ミラー上の共振器経路の入射角用に配置することができる。３つの実施形態で、各ミラー上の球面収差の最小化に関する利点が得られる。
【００２２】
本発明の代替実施形態によれば、共振器ミラーは、大きい入射角用に配置することができる。特に、２つのトロイダル・ミラーおよび少なくとも１つの平面ミラーを、入射角が全てのミラー上で少なくとも３０度であるような構成で配置することができる。２つのトロイダル・ミラーおよび複数の平面ミラー、例えば５つより多い（６つ以上の）または８つより多い（９つ以上の）平面ミラーを用いて、５０度より大きいまたは６５度より大きい入射角を得ることができる。大きい入射角を設けることには、ミラー面上の照射面積が増大することによる利点がある。発明者たちは、ガウス・ビームの放物面位相面からのトロイダルまたはシリンドリカル・ミラー曲率のずれの結果として、ガウス・ビームからの共振器基本横の固有モード（fundamental transverse eigenmode）のかなりのずれ（偏差）が大きい入射角で生じ得ることを発見した。
【００２３】
さらに、上述の全ての変形例では、本発明による増強共振器は、さらに、共振器経路の折畳み構成を形成する複数の折畳み平面ミラーを含んでいてもよい。利点として、その折畳み構成によって、共振器経路を長くすることができ、キャビティ内光のビーム直径を増大させることができる。
【００２４】
本発明の別の好ましい実施形態によれば、上述の各球面ミラーおよび／または各トロイダル・ミラーおよび／または各シリンドリカル・ミラーは、それぞれ同じ面形状および曲率を有し、共振器経路は全ての共振器ミラー上で同じ入射角を有する。これらの変形例では、共振器対称性に関する利点を得ることができる。
【００２５】
本発明の特に好ましい実施形態によれば、トロイダル・ミラーの各々は、所与の実施形態において実現された入射角に対して、共振器平面において、および共振器平面に垂直な平面において、同じ焦点距離を有する。換言すれば、２つのトロイダル・ミラーは、矢状面および正接面において同じ焦点距離を有し、または、２つのトロイダル・ミラーは、双方の面において焦点距離が同じであるような矢状面および正接面における曲率を有する。これらの実施形態では、共振器焦点におけるおよび／または共振器焦点付近で光強度を最大化できる。
【００２６】
共振器ミラーは、誘電体ミラー、即ち誘電体層の積層体で形成された反射面を有するミラーを含んでいることが好ましい。共振器ミラーは、０．９９より大きい反射率、特に０．９９９９より大きい反射率を有することが好ましい。反射面は、例えば水晶ガラスまたはサファイアまたはシリコンで形成されたコンパクトな本体のようなミラー基板によって、支持することができ、非球面曲率はグラインド（研磨）またはポリッシュ（研磨）によって得られる。
【００２７】
本発明の代替実施形態によれば、少なくとも１つの非球面ミラー、特に少なくとも２つのトロイダル・ミラーおよび／または少なくとも１つのシリンドリカル・ミラーは、変形可能な面を有する適用型の反射器を含んでいる。ミラー基材は、柔軟な材料と、適用型の光学系で知られている調節可能な支持体とで形成されている。換言すれば、トロイダル・ミラーおよび／またはシリンドリカル・ミラーは変形（deformation：歪ませること）によって調節可能であり、トロイダルおよび／またはシリンドリカル面形状は、変形によって得ることができる。例えば、シリンドリカル面形状は平面ミラーの変形によって得ることができ、トロイダル面形状は球面ミラーの変形によって得ることができる。適応型の反射器を用いるこの実施形態では、本発明による方法は、適応型反射器の中の少なくとも１つの反射器の変形可能な球面または平面を設定するステップを含んでいる。この設定するステップは制御ループで実現でき、適応型反射器は、測定されたビーム直径、ビーム重なり（オーバラップ）および／またはその他のビーム・パラメータに応じて調整される。
【００２８】
本発明の別の有利な特徴によれば、本発明による共振器キャビティは、共振器ミラーの反射面上の入射伝播方向に垂直な共振器内レーザ光の各断面積（領域）が１０％以下、特に５％以下だけ互いに異なる形態で、構成されている。特に好ましい実施形態によれば、少なくとも３つの共振器ミラーは、断面積（領域）が同じであるかまたは互いに１％以下異なる形態で、構成されている。上述の断面積（領域）の類似性または同一性によって、共振器は調整不良または不整合（maladjustment、misalignment）に対して低い感度を有する安定範囲の一端縁で動作でき、共振器平面に垂直で各共振器焦点を通る平面に対する共振器経路の対称性が得られる。さらに、複数のミラーの中の１つ以上のミラー上の光強度の増大を回避できる。
【００２９】
上述の構成が共振器内レーザ光の断面領域を参照して定義される一方で、その共振器構成は、そのような共振器の装置的特徴である。断面領域は、共振器キャビティ構成によって得られる共振器モードの特性の動作上の表現である。共振器キャビティを構成することは、特に、少なくとも３つの共振器ミラーに反射面の所定の曲率を与えることを含んでいる。その曲率は、固体ミラー基材の使用によって固定でき、または１つ以上の適応型反射器が使用される場合に可変的に調整できる。さらにまたは代替的に、共振器キャビティを構成することは、少なくとも３つの共振器ミラーの相互の距離、共振器平面に対する傾斜、および／または入射角に関する、少なくとも３つの共振器ミラーの調節を含んでいる。
【００３０】
利点として、複数のミラー構成は、本発明の特定の適用例を実現するのに利用可能である。好ましい変形例によれば、少なくとも３つの共振器ミラーは、伝播方向に垂直な共振器内レーザ光の断面領域が共振器経路に沿って円形状を有するように、構成される。この実施形態で、より高次の高調波放射の生成の利点が得られるのは、共振器焦点における円形ビーム放射によってより高次の高調波放射の非線形な生成が改善されるからである。他の好ましい変形例によれば、少なくとも３つの共振器ミラーは、上述の共振器ミラーの反射面上の入射伝播方向に垂直な共振器内レーザ光の断面領域が楕円形状を有し、楕円形状の長い主要軸が共振器平面に平行である形態で、構成されている。これによって、共振器焦点におけるモード整形が可能となり、そのモード整形は、基本モード以外の横モード（循環照射野分布）での周波数変換プロセス、およびより高次の高調波放射のキャビティ外への結合に関する利点を有し得る。
【００３１】
増強共振器がより高次の高調波放射の生成に適合化される場合、好ましくは、ターゲット（標的）材料が、共振器の複数の焦点の中の１つの焦点に設けられ、また、共振器内レーザ光と、ターゲット材料とまたは増強共振器外の電子束との相互作用によって形成された放射を結合するよう構成された出力結合装置が設けられる。
【００３２】
複数の出力結合技術が利用可能である。しかし、本発明の特に好ましい実施形態によれば、出力結合装置は、形成された放射を出力結合するための開口（開孔）を有する複数の共振器ミラーの中の１つのミラーを含んでいる。そのような出力結合装置は、例えば国際公開第２０１２／０３１６０７号に記載されている。共振器ミラーにおける軸上の開口を通した出力結合には、本発明による増強共振器で特に利点がある。増強共振器によって、拡大されたビーム半径を形成できるので、出力結合共振器ミラーにおける開口の半径は、通常の技術と比較してこのミラー上のビーム半径に対（比）してより小さい。従って、出力結合共振器ミラーは、共振器損失を減少させ、従って、循環するキャビティ内光の強度をさらに増大させ、減少した波長でより高次の高調波放射を生成することができる。一方、所与の増強について、即ち、開口直径およびスポット・サイズ直径の固定された比率について、より大きいスポット・サイズは、出力結合効率のためにＸＵＶに対する不完全な開口の境界の影響が減少することを意味する。この特性は実際上重要であり、その理由は、より大きい開口がより良好な品質で利用可能だからである。これは、短い波長（例えば、半導体産業において適用される１３ｎｍ、またはより短い波長）用の高いパワーのＸＵＶ源の可能性を提供する。
【００３３】
本発明による増強共振器がトムソン（逆コンプトン）散乱による硬Ｘ線を生成するのに適用される場合、通常のシステムに対する少なくとも１次の大きさの駆動レーザ・パワーの増大を得ることができる。
【００３４】
本発明の別の一般的な利点は、高い繰返し周波数を、高いパルス・エネルギおよび短いパルス持続時間（例えば、サブ３０ｆｓのパルスの増強が実験された）と組み合わせることによって、得られる。特に、ミラー以外のキャビティ内光学系がないことによって、キャビティは広帯域である。そのようなキャビティは、少数であるたった３つまたは４つのミラーで実装することができる。ミラー上の比較的小さい入射角と共に、偏波識別要素の欠落によって、キャビティ偏波が維持される。特に、これは、任意の線形および楕円偏波（およびその組合せ）を有するＣＷまたはパルス光が効率的に増強できること、を意味する。ＨＨＧを用いて、ＸＵＶは、単一周期（または数周期）の駆動光に制限でき、時間分解測定用の非常に微細な時間分解能が可能な極短ＸＵＶパルスが供給される。最後に、本発明は、より広い範囲の波長で実現でき、そのためにガウス光学系の適用モデルが維持され、またそのための高い品質の光学系が存在する。特に、各共振器キャビティは、ＵＶから可視範囲を経て中赤外線範囲までの波長範囲用に、組み立てることができる。
【００３５】
本発明の他の特徴および利点を、図面を参照して以下説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１乃至５は、本発明の好ましい実施形態によるレーザ装置および増強共振器を示している。
【図２】.
【図３】.
【図４】.
【図５】.
【図６】図６乃至８は、本発明による増強共振器で得られた実験およびシミュレーションの結果を示している。
【図７】.
【図８】.
【図９】図９は、共振器ミラーにおける円錐状の開口を通した放射の同一線上での出力結合の概略図である。
【図１０】図１０は、本発明によるレーザ装置の別の実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
発明の好ましい実施形態
以下、本発明の各実施形態を、４つまたは３つの共振器ミラーを有する増強共振器を典型例として参照して説明する（図１〜４参照）。本発明は、４つより多い（５つ以上の）共振器ミラー、例えば１２個の共振器ミラーで、類似の（analogue）形態で実装することができる（図５参照）ことを強調しておく。共振器の幾何学的配置は、実験によって、または利用可能なソフトウェア・ソリューションに基づく光学的設定の数値設計によって、調節することができる。本発明の好ましい実施形態が、非球面共振器ミラーの配置を特に参照して説明する。従って、図１〜５は増強共振器の設計に焦点を当てたものであり、一方、図１０は本発明によるレーザ装置の光学的な他の特徴を示している。各図において、全ての非球面共振器ミラー（および任意に使用される球面共振器ミラー）が湾曲した形状で概略的に示されている。実際に使用される反射器形状が略記によって示されている（平面：“ｐｌ”、シリンドリカル：“ｃｌｙ”、トロイダル：“ｔｏｒ”、または球面：“ｓｐｈ”）。高パワーのレーザ光を生成する方法およびレーザ装置の各特徴は、特に、入力結合ミラーの設計および調節、レーザ源装置および増強共振器の同期化、および低減したガス圧（特に空気圧）の環境における増強共振器の配置に関して、通常の技術、例えば国際公開第２０１２／０３１６０７号、米国特許６０３８０５５号または米国特許出願公開第２００６／０２６８９４９号で公知である限り記載しない。これらの文献の内容を参照によりこの開示内容に組み込む。
【００３８】
図１は本発明によるレーザ装置１００の実施形態を概略的に示しており、レーザ装置１００はレーザ源装置１０および増強共振器装置２０を含んでいる。レーザ源装置１０はレーザ部（ユニット）１１（図１０参照）を含み、レーザ部１１は、増強共振器２０内に結合される主要なレーザ光パルス２またはｃｗモードを生成するよう配置されている。レーザ部１１は、任意の通常のパルス状または連続波レーザ、例えば、チタニウム−サファイア・レーザ、Ｙｂ：ＫＹＷレーザ、または、パルス状レーザと増幅器（例えば、チャープ・パルス増幅器（ＣＰＡ））システムの組合せを含んでいる。例えば、レーザ部（ユニット）１１は、主要なレーザ・パルス２が、繰返し周波数２５０ＭＨｚ、パルス持続時間２００ｆｓ、光学的平均パワー２００Ｗ乃至５００Ｗまたはそれより高い値、および中心波長約１０４２ｎｍで生成される。レーザ源装置１０の更なる詳細を、図１０を参照して以下で説明する。さらに、レーザ装置１００は、増強共振器の通常の適用例で公知の監視および制御装置を含んでいる。
【００３９】
図１の増強共振器２０は本発明の第１の実施形態を表し、ここでは、２つのトロイダル（ｔｏｒ）共振器ミラー２１、２４、および２つの平面（ｐｌ）共振器ミラー２２、２３がボウタイ構成で配置されている。この構成は、交差するビーム経路（光路）を有する循環（リング状）共振器の幾何学的構造によって特徴付けられ、共振器ミラー２１〜２４が、例えば水平面（図平面に平行な平面）のような共通平面における共振器レーザ光路にわたって配置される。共振器レーザ光路は、ｎｒｅｆ＊ｃ／ｆｒｅｐの整数倍に等しい完全な長さ（全長）Ｌｒｅｓを有する（ｃ：真空中の光速、ｆｒｅｐ：レーザ光パルス２の繰返し周波数、ｎｒｅｆ：光路上の平均屈折率）。
【００４０】
共振器ミラー２１〜２４は、例えばＨ．Ｒ．ビルガー氏、他の文献（H. R. Bilger et al. ("Origins of fundamental limits for reflection losses at multilayer dielectric mirrors", Appl. Opt., Vol.33, No. 31, p.7390-7396 (1994)）に記載された例えば高い反射性の誘電体ミラーである。それらは、入力結合ミラー２３（ＩＣミラー２３）、および３つの高反射性の共振器ミラー２１、２２および２４（ＨＲミラー２１、２２および２４）を含んでいる。入力結合ミラー２３の基材は、透明であり、典型的には、一側部に、レーザ・ビームの入射角用に最適化された反射防止被覆が設けられている。ＨＲミラー２１、２２および２４は、ＩＣミラー２３より高い反射率を有する。各ミラーの反射率は、本発明の特定の適用例に応じて選択される。ＩＣミラー２３の低減した反射率は、パワー増強率を設定しテスト信号４を供給するように与えられる。例えば、ＩＣミラー２３の透過率は、（非線形媒質での）循環する光の分散、吸収、透過、および非線形媒質との相互作用に起因する、共振器（入力結合ミラーを除く）の完全な往復損失に等しくすることができ、即ちインピーダンス・マッチングできる。インピーダンス・マッチングの場合、パワー増強は所与の往復損失に対して最大化される。ＩＣミラーで反射されたテスト信号４は、フォトダイオードで検出されて、レーザ源装置１１および増強共振器２０の相対的動作パラメータを安定化させる制御システムを実現するための制御装置へと導かれる（図１０参照）。
【００４１】
図１は概略的例示のみを表すが、増強共振器２０は実際には長手方向の形状を有する。ここで、共振器ミラー２１〜２４の間の共振器レーザ光経路の各線分の長さは、例えば６００ｍｍに近似的に等しい。その結果、５度未満の共振器レーザ光経路の各線分の交差角度が得られ、入射角は約１．２度である。例示の実施形態では、共振器ミラー２１および２４は、共に等しい表面曲率を有するトロイダル・ミラーである。矢状面における第１の曲率半径Ｒ１は、例えば６００．１３ｍｍである一方で、正接面における第２の曲率半径Ｒ２は、例えば５９９．８７ｍｍである。典型的な例として、トロイダル・ミラーおよび平面ミラーは約２５ｍｍの直径を有する。各曲率半径は、実験的または経験的に調節することができ、または実際的値は利用可能な共振器設計ソフトウェアに基づいて数値的シミュレーションによって得ることができる。
【００４２】
共振器ミラー２１〜２４の全ては、各ミラー面の間の距離ｄおよびΔおよび／またはミラー面上の入射角をそれぞれ調節するために、ミラー駆動部（図示せず）によって、シフト、回転および／または傾斜させることができる。距離ｄおよびΔは、各ミラー面上の各ビーム中心の間の間隔を参照するものである。例えば、距離ｄは、共振器ミラー２４を支持するミラー駆動部（移動（translation：並進）テーブル）によって変えることができる（矢印３参照）。
【００４３】
図２は、本発明の第２の実施形態を示している。ここで、増強共振器２０は、２つの球面（ｓｐｈ）ミラー２１および２４、および２つのシリンドリカル（ｃｙｌ）ミラー２２および２３を含んでいる。１つの焦点位置２５が、共振器ミラー２１と２４の間に設けられる。球面ミラー２１と２４の双方は、例えば２５ｍｍの直径と、例えば６００ｍｍの曲率半径Ｒとを有する。シリンドリカル・ミラー２２および２３は、例えば２５ｍｍ＊２５ｍｍのサイズを有する長方形状または２次の（quadratic）形状と、例えば１０００００ｍｍのような正接面（焦点ぼけ面）における曲率半径Ｒ１とを有する。再び、共振器２１〜２４の全ては、シフト、回転および／または傾斜させることができる。
【００４４】
本発明の別の実施形態によれば、図３に概略的に示されているように、増強共振器２０は、２つのトロイダル・ミラー２１および２４、および２つのシリンドリカル・ミラー２２および２３を含んでいる。図４は本発明の別の実施形態を示しており、ここで、増強共振器２０は三角形の構成を有する。それ（増強共振器２０）は、例えば２つのトロイダル・ミラー２１、２２、および１つの平面状またはシリンドリカル・ミラー２３のみを含む３つの共振器ミラーを含んでいる。代替形態として、図４の実施形態は、２つの球面ミラー（２１、２２）および１つのシリンドリカル・ミラー（２３）を含むこともできる。図３および４の増強共振器および共振器ミラーは、図１および２の実施形態のもので構成することができる。図２乃至３が凹面シリンドリカル・ミラーの使用を参照する一方で、本発明による共振器設計は、凸面シリンドリカル・ミラーを用いても実現することができる。
【００４５】
図５は、本発明の代替的な実施形態を示している。ここで、複数の共振器ミラーは大きい入射角で配置されている。この例では、増強共振器は、２つのトロイダル・ミラー２１、２３、および１０個の平面ミラー２２を含み、入射角７５度が得られ、その結果として、ミラー上の照射領域が３．８倍（の係数で）増大する。光は、平面ミラー２２の中の１つにおける共振器２０内に結合される。焦点２５はトロイダル・ミラー２１、２３の間に形成される。一般的に、さらにＮ個のミラー（Ｎ≧３、２つのトロイダル・ミラー、および少なくとも１つの平面ミラー）および全てのミラー上での入射角で、入射角９０°＊（１−２／Ｎ）が、設定できる。
【００４６】
円形の外形（プロファイル）を有する共振器焦点２５を得るために、２つのトロイダル・ミラーは、トロイダル・ミラー上の選択された入射角に対して共振器２０の矢状面および正接面において同じ焦点距離を有する。この目的を達成するために、矢状面および正接面におけるトロイダル・ミラー２１、２３の曲率半径ＲｓａｇおよびＲｔａｎは、Ｒｓａｇ＝２ｆｃｏｓαおよびＲｔａｎ＝２ｆ／ｃｏｓα（ｆ：焦点距離）による入射角に応じて選択される。実際の例では、各半径は、Ｒｓａｇ＝１５８ｍｍおよびＲｔａｎ＝２２８０ｍｍであってもよい。
【００４７】
共振器ミラー２１〜２４の全ては、距離ｄおよびΔを調節するようにシフトすることができることが好ましい。任意に、共振器ミラー２４は、シフトだけすることができる（矢印３）。さらに、共振器ミラーは、ミラー表面上の入射角を調節するために、共振器平面において回転させることができ、および共振器平面に対して傾斜させることができる。これらの調節のために、共振器ミラー２１〜２４の各々は、通常の共振器で既知のように、ミラー駆動部によって支持され、調節段（図示せず）に接続される。
【００４８】
図１のレーザ装置１００を用いた高パワー・レーザ光を生成する本発明による方法は、次の各ステップを含んでいる。レーザ光２が、レーザ源装置１０を用いて所定のパルス繰返し周波数またはｃｗ周波数で生成される。レーザ光２は、ＩＣミラー２１を通して増強共振器２０内に結合される。レーザ源装置１０および／または増強共振器２０は互いに調節されて、増強共振器２０内に結合されたレーザ光が、共振器内レーザ光１とコヒーレントに重ね合わされる。パルス動作について、循環する共振器内パルスの数は、増強共振器２０の長さ、および相互に対するレーザ源装置１０の繰返し周波数のうちの一方を選択することによって、調節することができる。循環する共振器内パルスは、約２ｍｍ乃至６ｍｍの強度の１／ｅ２のビーム半径でミラー面を照射する。その結果、共振器内パルスの平均パワーは、例えば約１ＭＷのような０．５ＭＷより高い範囲まで増大させることができる。これによって、最高で約１＊１０１６Ｗ／ｃｍ２までの焦点ピーク強度が得られる。
【００４９】
ＸＵＶ／Ｘ線またはテラヘルツ（ＴＨｚ）周波数範囲でコヒーレントまたは非コヒーレントの光パルスを生成するために、例えば、原子または分子気体（例えば、希（貴）ガス、窒素または酸素）または原子および分子クラスタ（例えば、ファンデルワールス、金属またはイオンのクラスタ）のようなターゲット（標的）が、共振器ミラー２１と２４の間の焦点位置２５にまたはその付近に供給される（設けられる）。共振器内レーザ光１のターゲットとの相互作用によって、ＸＵＶ／Ｘ線の波長の範囲において、コヒーレント放射が生成されて、それ（放射）が、増強共振器２０の外部に結合され、例えばミラー２２と２４の間の間隙を通してまたはそれらの脇を通して、例えばミラー２２中のシリンドリカル（円筒状）および円錐状の開口のような開孔（図９参照）またはスリットを通して、共振器内レーザ光用のブルースター角（Brewster's angle：偏光角）下のプレート（板部）によって、平面ミラー上にエッチングされたＸＵＶ波長用の回折格子によって、またはＸ線波長用のブラッグ結晶によって、結合される。非コヒーレント放射は、例えば、トロイド状に曲げられた結晶、かすり入射（斜入射）多層光学系、およびＸ線放射の場合に楕円毛細管または多毛細管のような、適切な光学系によって、収集されて導かれる。テラヘルツ（ＴＨｚ）放射は、例えば、金属製フォトニック（光）結晶または多層ミラー、および、シリコン、高密度ポリエチレン、ポリメチルペンテンまたはポリテトラフルオロエチレンで形成された光学系によって、収集され導かれる。
【００５０】
以下において、図１〜３の非点収差補償されたキャビティを用いて技術水準の高パワー２５０ＭＨｚの繰返し周波数のフェムト秒のレーザで達成可能な強度領域が、推定または評価される。
【００５１】
本発明による共振器設計によって得られる１つの見込みは、焦点におけるピーク強度が、圧縮された２５ｆｓパルスおよびキャビティ内平均パワー１２５ｋＷで、全てのミラー上でｗｍ＝４ｍｍのスポットを有するｗ０＝２５μｍの焦点において１０１５Ｗ／ｃｍ２を超える値まで増大することである。同じ強度は、２５０ｆｓパルスおよび１ＭＷを超える平均パワーで得ることができる。この強度は、ヘリウム中での高次高調波生成による２ｎｍ未満のカットオフ波長に対応する。
【００５２】
本発明による共振器によって得られる別の見込みは、より弱い焦点合せを用いて達成可能な所与のピーク強度における焦点体積（focal volume）の増大である。過去に１３ｎｍのプラトー（plateau）高調波の生成を可能にしたピーク強度２．８＊１０１４Ｗ／ｃｍ２は、２５ｆｓのパルスおよびｗ０＝５２μｍの焦点における３５０のパワー増強で、および共振器ミラー上での３．２ｍｍのビーム半径で、達成できる。この設定は、インピーダンス整合された構成での３５０の必要なパワー増強で依然として動作しつつ、キャビティ焦点の後続のミラーにマイクロメータ・サイズの開孔（８５μｍ半径）を含ませることを可能にする。Ｉ．プペツァ氏、他（I. Pupeza et al.）よって"Ultrafast Phenomena XVIII", Proceedings of the 18th International Conference, Lausanne, Switzerland, 2012において提示された、設定に関する概して２次のオーダの大きさの焦点体積の増大は、より大きい非線形相互作用体積、改善された位相整合、およびより高い出力結合効率によって、生成されるＸＵＶ光子束を劇的に増大させる。さらに、１０１５Ｗ／ｃｍ２の強度領域は逆コンプトン散乱に適している。
【００５３】
図示された本発明による共振器キャビティは、次に挙げる設計変形例の中の１つで実現できる。共振器キャビティは、共振器ミラー２１〜２４の反射面上の入射伝播方向に垂直な共振器内レーザ光１の各断面積が例えば互いに１％以下だけ互いに異なる形態で、構成することができる。これによって、低い調整感度（調整不良または不整合に対する低い感度）の利点が得られる。さらに、共振器キャビティは、断面領域が共振器ミラー２１〜２４の全ての反射面上で円形である形態で、構成することができる。これによって、ＸＵＶまたは硬Ｘ線が改善された効率で生成できる形態で、拡大されたビーム直径および拡大された焦点体積の利点が得られる。代替形態として、共振器キャビティは、断面領域が共振器ミラー２１〜２４の全ての反射面上で大きい楕円率を有する形態で、構成することができ、それによってＸＵＶまたは硬Ｘ線を出力結合するための利点が得られる。
【００５４】
図６乃至８には、図２の本発明による増強共振器２０で得られた実験およびシミュレーションの結果が示されている。図６の曲線Ａは、６００ｍｍの集光ミラーおよび入射角４．４度を有する図２による１２５ＭＨｚの増強共振器におけるビーム方向（ｚ方向）に沿ったそれぞれ正接面および矢状面におけるシミュレーションされたビーム半径を示している。従って、本発明では、通常のボウタイ型の共振器の平面ミラーを、正接面において焦点をぼかすシリンドリカル・ミラー２２、２３（−１００ｍ  ＲＯＣ）で置き換えることによって、楕円性をなくした。垂直線はミラーの位置を示している。曲線Ｂは、同等の通常のボウタイ型の共振器（球面および平面ミラーのみを有するもの）の正接面におけるビーム半径が、矢状面（下側の曲線Ａに対応する）におけるビーム半径より基本的に小さいことを示している。図７は、矢状面における異なるスポット・サイズの関数Δ（図２に示されている）としてのシミュレーションされた楕円率（焦点において計算された主軸長の比）を示している。より大きいスポット・サイズでは、より良好な整列精度が要求される。より弱いシリンドリカル・ミラーでは、より低い精度が要求されるより短い距離Δに対して補償が行われる。図８は、実験結果を示しており、安定端縁に近づく間に、本発明による共振器の正接面と矢状面の双方における測定されたビーム半径（１／ｅ２−強度半径）を示している。論理曲線がＡＢＣＤマトリックス形式で計算される。一定のキャビティ損失では、スポット・サイズ５．７ｍｍ＊２．６ｍｍが達成できるであろう。より大きいスポットを得ることもできるが、ミラー境界における回折損失を犠牲にする。原則として、これは、非点収差補償用のより大きいミラーおよび手段を用いて克服することができる。
【００５５】
図９は、反射面２２．２からミラー２２の本体を通って背面（裏側）２２．３に伸びる出力結合開孔２２．１を含む共振器ミラー（例えば、図１のミラー２４、または図３のミラー２２）を概略的に示している。共振器内レーザ光１の光照射野は、反射面２２．２上の強度の１／ｅ２ビーム半径約５ｍｍを有する。開孔２２．１は約１００μｍの直径を有する円形状を有する。従って、共振器内レーザ光１の光照射野の弱い歪みだけが存在し、例えばλ＝１３ｎｍを有する１０４２ｎｍの第８１番（次）の高調波のような、高次高調波生成光５は増強共振器の外部に効率的に結合できる。代替形態として、開孔のスリット形状を形成することができる。
【００５６】
図１０は、本発明によるレーザ装置１００の更なる詳細を示しており、レーザ装置１００は、レーザ源装置１０、例えば図２による増強共振器２０、および制御装置３０を含んでいる。レーザ装置１０は、レーザ部１１および繰返し周波数（または連続波周波数）制御部（手段）１２を含み、制御部１２は、通常のレーザで知られているようなレーザ部１１の共振器長さを制御する。制御部１２は、発振器繰返し周波数または連続波周波数を、パッシブ型の共振器の自由スペクトル領域におよび透過共鳴（状態）へと安定化する決定的な機能であり、従って、増強共振器内の入力レーザ光を効率的に増強することができる。レーザ部１１で生成されたレーザ光２は、光学的構成要素（コンポーネント）１３、１４および１５を通して増強共振器２０の入力結合共振器ミラー２１に方向付けられる。光学的構成要素は、例えば、偏光制御装置１３、モード整合テレスコープ（望遠鏡）部１３およびビーム指向安定装置１５を含んでいてもよい。
【００５７】
例えば、増強共振器２０は、第２の実施形態（図２）のボウタイ構成を有する。共振器ミラーの全てには、例えば２乃至５の自由度でそれぞれのミラーを調節することができる、例えば圧電駆動装置のような、調節装置が設けられている。例えば、全てのミラーは傾斜させることができ（２の自由度）、少なくとも１つのミラーは、ビームの方向に沿って移動させることができる（図１乃至４の矢印３参照）。さらに、出力結合ミラー（図９参照）は、ビームに対して開孔を中心に置くためにビームの方向に垂直に移動させることができる。開孔がスリット形状を有する場合、ビームに垂直な平面における回転を可能にすることができる。この回転の自由度は、特にトロイダル・ミラーおよびシリンドリカル・ミラー用に同様に与えられてもよい。また、調節装置は、適応型反射器を設定するのに使用することができる。例えば、調節段２１．１および２４．１が共振器ミラー２１および２４に示されている。ミラー２１および２４における調節段は示されていない。
【００５８】
増強共振器２０は、真空ポンプ（図示せず）に接続され減空気圧の環境を形成する、特に空気圧気密な、ガス圧気密容器４０内に配置される。レーザ装置１００の動作の期間において、例えば１０−３Ｐａ乃至１０−４Ｐａのような圧力がその容器内に形成される。空気圧気密容器４０は、レーザ光２を入力結合し、反射された試験信号４および例えばＸＵＶ／Ｘ線および／またはテラヘルツ（ＴＨｚ）放射５をそれぞれ供給するための楔形のおよび／または反射防止被覆された窓部４１、４２を含んでいる。第１の窓部４１は、レーザ光２の波長領域において、特にＵＶ波長から可視波長を経てＩＲ波長までの波長領域において、透明な材料で形成され、例えばガラスまたはプラスチック材料で形成される。第２の窓部４２は、増強共振器２０の焦点位置２５において生成されるＸ線またはテラヘルツ（ＴＨｚ）放射の波長領域において透明である。この目的を達成するために、第２の窓部４２は、例えば、ベリリウムまたはシリコンで形成される。特に、ＸＵＶおよび軟Ｘ線放射の生成で、第２の窓部は、ＸＵＶまたは軟Ｘ線放射が特定の適用例に使用される別の真空装置に通じる（開口する）接続チャネルで置き換えることができる。
【００５９】
増強共振器２０は、機械的発振減衰装置５０（概略的に示されている）上に配置される。機械的発振減衰装置５０は、例えば、ほぼ同じ振幅での振動発振に対して完全な増強共振器の設定を逆向き伝播にすることによって機械的振動を減衰させる制御システム（０．７Ｈｚ〜２００Ｈｚの範囲で機械的発振分離が可能なもの）または受動型の機械的発振吸収器を有する６の自由度の補償電磁および／または圧電駆動装置のような、活動的な（アクティブな）機械的発振分離部を含むことが好ましい。
【００６０】
硬Ｘ線放射を生成するために、焦点位置２５においてターゲット・ソース（標的源）装置（図示せず）によってターゲットが供給される。ターゲットとしての電子束の場合、光束に近い電子の電子ビームが、電子ビーム源（図示せず）から焦点位置２５まで、増強共振器内の共振器内パルス１の伝播方向と反対の方向に方向付けられる。共振器内レーザ・パルスの方向に従って、ＸＵＶ／Ｘ線照射５が第２の窓部４２を通して容器４０の外部へと方向付けられる。
【００６１】
制御装置３０は、レーザ源装置１０および増強共振器２０を制御するよう構成された電子回路を含んでいて、レーザ源装置１０が、共振器ミラー２１におけるレーザ光のコヒーレント加算のために、増強共振器２０の長さと、循環レーザ光パルスのキャリア包絡線オフセット周波数とに対して、または増強共振器２０内の定在波の連続波周波数に対して、安定化されるようになっている。これは、例えば、レーザ発振器内の線形段に取り付けられた共振器ミラー、レーザ発振器内の圧電作動装置に取り付けられた共振器ミラー、発振器ポンプ光子束制御部、１対の溶融シリカ楔部で、およびレーザ発振器内の電子光変調器で、レーザ源装置のレーザ発振器繰返し周波数およびキャリア包絡線オフセット周波数または連続波周波数の周波数櫛型パラメータを制御することによって、実現される。一方、調節装置（例えば、２１．１乃至２４．１）は、安定な共振器を構築するために、適正な増強共振器ミラーの整列を形成する。試験信号４を制御装置３０に供給することによって、制御ループが形成され、ここで、例えば適応型反射器のような共振器ミラーは、測定されたビーム直径、ビーム重なりおよび／またはその他のビーム・パラメータに応じて、調節される。
【００６２】
以上の説明、図面および特許請求の範囲に開示された発明の各特徴は、個々にもおよびその組合せた形でも、本発明をその相異なる実施形態で実現するために、重要であり得る。
【図１】
0006283374.tif 000002
【図２】
0006283374.tif 000003
【図３】
0006283374.tif 000004
【図４】
0006283374.tif 000005
【図５】
0006283374.tif 000006
【図６】
0006283374.tif 000007
【図７】
0006283374.tif 000008
【図８】
0006283374.tif 000009
【図９】
0006283374.tif 000010
【図１０】
0006283374.tif 000011