(57)【要約】【課題】高反復率のフェムト秒再生増幅装置を提供する。【解決手段】パルスを放出する発振器と、パルスの幅を拡大する拡大器と、パルススイッチングのための音響光学的変調器、利得媒質をポンピングするためのパルス型レーザ、複数のミラーを介してパルスを往復させる共振器、及び負の分散を与える少なくとも１つのチャープミラーを備え、パルスを増幅させる再生増幅器と、パルスを圧縮する圧縮器とを備えることを特徴とする再生増幅装置である。これにより、１００ｋＨｚ級の高反復率のフェムト秒再生増幅装置で、既存の数μＪ以下の出力エネルギーを数十μＪに向上させられる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスを放出するレーザ発振器と、
前記パルスの幅を拡大する拡大器と、
パルススイッチングのための音響光学的変調器、利得媒質をポンピングするためのパルス型レーザ、複数のミラーを介してパルスを往復させる共振器、及び負の分散を与える少なくとも１つのチャープミラーを備え、前記パルスを増幅させる再生増幅器と、
前記パルスを圧縮する圧縮器とを備える高反復率のフェムト秒再生増幅装置。
【請求項２】
前記ポンプレーザは、高反復率パルス型緑色レーザにより構成されることを特徴とする請求項１に記載の高反復率のフェムト秒再生増幅装置。
【請求項３】
前記ポンプレーザは、周波数倍化されたＮｄ：ＹＡＧレーザまたはＮｄ：ＹＶＯ４レーザにより構成されることを特徴とする請求項２に記載の高反復率のフェムト秒再生増幅装置。
【請求項４】
前記レーザ発振器は、Ｔｉ：Ｓフェムト秒レーザ、あるいはＴｉ：Ｓ利得媒質の６５０−１，１００ｎｍ波長範囲でフェムト秒パルスを発生させることができるレーザにより構成されることを特徴とする請求項１に記載の高反復率のフェムト秒再生増幅装置。
【請求項５】
前記利得媒質は、Ｔｉ：Ｓから構成されることを特徴とする請求項１に記載の高反復率のフェムト秒再生増幅装置。
【請求項６】
前記一つ以上のチャープミラーを利用し、前記共振器内部の分散を補償することを特徴とする請求項１に記載の高反復率のフェムト秒再生増幅装置。
【請求項７】
前記拡大器は、パルスに負の分散を与えてパルス幅を拡大することを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載の高反復率のフェムト秒再生増幅装置。
【請求項８】
前記拡大器は、一対のプリズムと一対の対面する回折格子とを備えることを特徴とする請求項７に記載の高反復率のフェムト秒再生増幅装置。
【請求項９】
前記圧縮器は、光学ガラスブロックにより構成されたことを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載の高反復率のフェムト秒再生増幅装置。
【請求項１０】
前記拡大器と圧縮器とにより二次分散及び三次分散を補償することによってパルス幅を圧縮することを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載の高反復率のフェムト秒再生増幅装置。
【請求項１１】
前記圧縮器から圧縮されるパルスの最小パルス幅が５０フェムト秒以下になることを特徴とする請求項１０に記載の高反復率のフェムト秒再生増幅装置。
【請求項１２】
前記再生増幅器は、２０−２００ｋＨｚの反復率を有することを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載の高反復率のフェムト秒再生増幅装置。
【請求項１３】
前記圧縮器から出力されるパルスが１００ｋＨｚ以下の反復率を有するとき、パルス当たり２０μＪ以上のエネルギーを発生させることを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載の高反復率のフェムト秒再生増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高反復率のフェムト秒再生増幅装置に係り、さらに詳細には、１００ｋＨｚ近辺の高反復率で増幅され、数十マイクロジュールの高出力エネルギーとギガワット単位のピーク出力とを生成できるフェムト秒再生増幅装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザは、単色性（ｍｏｎｏｃｈｒｏｍａｔｉｃｉｔｙ）、指向性（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ）、高輝度（ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ）の特性により、応用分野が非常に広く利用されている。レーザが開発されて以来、研究者は、レーザの最大ピーク出力を高めるために努力し、Ｑスイッチング、モードロッキング（ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｉｎｇ）、増幅のような方法を介してこれを実現してきた。しかし、レーザ出力は高出力であり、だんだんとレーザ媒質と光学部品の損傷のために限界にぶつかるようになった。最近、かかる限界を克服し、極超短の超高強度レーザ技術が開発された。極超短の超高強度レーザは、チャープパルス増幅技術と、ピコ秒（ｐｉｃｏ ｓｅｃｏｎｄ）あるいはフェムト秒（ｆｅｍｔｏ ｓｅｃｏｎｄ）の極超短パルス技術とを結合した結果である。極超短の超高強度レーザは、フェムト秒またはピコ秒のパルス幅を有する極超短レーザを増幅し、テラワット以上の出力を有するように作られた高出力レーザシステムである。一方、フェムト秒レーザ技術は、チタンサファイア（Ｔｉ：Ｓ）をレーザ媒質とし、５フェムト秒のパルス幅を有するレーザ共振器を作ることを可能にし、ピーク出力においては、ペタワット（ＰＷ；１０１５Ｗ）に至るパルスを生成させるに至った。
【０００３】
特に、フェムト秒レーザ技術は、少ないエネルギーでも大きいピーク出力を得ることができるために、熱問題が少なく、１ｋＨｚ以上の高い反復率にも増幅が可能である。図１は、Ｔｉ：Ｓ増幅器に基づいたフェムト秒レーザの反復率に対するピーク出力を概略的に図示したグラフである。１０Ｈｚ程度の反復率を有するレーザは、数テラワット（ＴＷ）ないし数十テラワットのピーク出力が一般的であり、反復率を１Ｈｚ以下に下げ、ペタワット（ＰＷ）級レーザも製作可能である。１−１０ｋＨｚ程度の反復率領域では、サブテラワット（約０．１−０．５ＴＷ）が一般的であり、テラワット級のピーク出力を有するレーザも登場している。一方、１００ｋＨｚ−２５０ｋＨｚ範囲の高反復率レーザは、数十メガワットが一般的であり、サブギガワット（０．２ＧＷ以下）のピーク出力も生成が可能である。
【０００４】
反復率がｋＨｚ級に高まれば、必要なポンプレーザのエネルギーが相対的に小さくなり、コンパクトなフェムト秒レーザ製作に有利に使われることができ、高い作動率を有するために、微細加工やガラスカッティングのように、産業上の応用分野だけではなく、Ｘ線発生実験などにも非常に有利である。しかし、１−１０ｋＨｚ級フェムト秒レーザに比べ、１００ｋＨｚ級のレーザは、これまでの技術では、出力エネルギーが小さくて実用化に困難が伴う。次表は、レーザの反復率により、パルススイッチング方法、ポンピングソース及び出力エネルギーを整理したものである。ただし、エネルギーは、増幅端が１個であるときの数値である。
【表１】
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【０００５】
表１によれば、１００−２５０ｋＨｚ反復率を有するレーザは、普通１μＪ程度の出力エネルギーを出しており、現在公知の最も高いエネルギーは、１００ｋＨｚで７μＪである。
【０００６】
図２は、従来の１００ｋＨｚ級のレーザシステムの構成を概略的に表したブロック図である。このレーザシステムは、Ｔｉ：Ｓ発振器１０と、Ｔｉ：Ｓ再生増幅器２０と、圧縮器３０とを備える。前記発振器１０と再生増幅器２０とをポンピングするためのレーザとしては、連続波アルゴンレーザ１３が使われる。連続波アルゴンレーザ１３から出てきたビームは、第１ビームスプリッタ１５により、一部のビームは、再生増幅器２０に向かい、残りのビームは、反射ミラー１７を介して発振器１０に向かう。前記発振器１０は、例えば、１００ｐＪ、７５フェムト秒のレーザパルスを出力し、前記増幅器２０は、前記レーザビームを増幅して１．８７μＪ、１０ピコ秒のパルスを出力し、圧縮器３０を介してビームを圧縮して１μＪ、１３０フェムト秒のパルスを出力する。
【０００７】
図３の（Ａ）を参照すれば、発振器１０から入力されたパルスは、偏光ビームスプリッタ４１を介してファラディ回転子４３、１／２波長板４５、反射ミラー４７を経て再生増幅器２０に入力される。前記再生増幅器２０は、パルスを共振させるための共振器２１、スイッチングのために共振器ダンパとも呼ばれるブラッグセル（Ｂｒａｇｇ ｃｅｌｌ）を利用した音響光学的変調器２２、Ｔｉ：Ｓ利得媒質２３、Ｑスイッチ２４及び反射ミラー２５を備える。前記Ｑスイッチ２４は、ポンピングソースであり、連続波レーザを使用する場合に連続波レーザのスイッチングのためにレーザパルス共振のスイッチとは別途に備えられているものである。
【０００８】
共振器２１は、複数の曲率ミラーＣＭ１，ＣＭ２，ＣＭ３，ＣＭ４からなり、発振器から入力されたパルスが前記反射ミラー間を反復的に往復することによって増幅される。ここで、Ｔｉ：Ｓ利得媒質２３やブラッグセル２２を通過するたびに正の分散によってパルス幅が自然に拡大する。拡大及び増幅されたビームを圧縮器３０を介して圧縮してパルス幅を減らし、ピーク出力を高める。
【０００９】
図３の（Ｂ）を参照すれば、圧縮器３０は、複数のプリズムから構成された第１プリズムセット３２及び第２プリズムセット３４を備える。参照番号３１は、高さを変えてビームを取り出すための平面ミラーを表す。
【００１０】
図３の（Ａ）及び（Ｂ）に図示されているような構造のレーザは、連続波レーザを利用してポンピングを行うためにポンピング強度が弱くて増幅エネルギーが低く、再生増幅器の内部にパルススイッチングのための変調器以外に、さらに他の変調器（Ｑスイッチ）を備えねばならないので、部品数が多くなるという短所がある。また、圧縮器が複数個のプリズムから構成され、プリズム間の間隔が広いために体積が大きくなるだけではなく、高次分散が残っていて圧縮率が好ましくなく、１００フェムト秒以下の短いパルスを作り難い。
【００１１】
一方、１００ｋＨｚ級レーザでも、ＣＰＡ（Ｃｈｉｒｐｅｄ Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）方式を採用してパルス幅を拡大した後で増幅し、増幅されたパルスを圧縮してレーザのパルスを効率的に増幅できる。ＣＰＡ方式は、図４に図示されているように、発振器から出てきたパルス（ａ）を、一対の回折格子からなるパルス拡大器を介して正の分散を与えることによってパルス幅を数十ピコ秒に拡大する（ｂ）。このとき、拡大されたパルスが低周波から高周波にチャープ（正のチャープ）されている。すなわち、拡大されたパルスの前端の周波数が後の周波数より小さい。拡大されたパルスを増幅器を介して増幅させた後（ｃ）、圧縮器を介して圧縮させる。一般的なＣＰＡ方式では、パルス拡大器と圧縮器とにいずれも回折格子を使用するが、パルス拡大器での逆過程を介してパルスを圧縮する。換言すれば、パルス拡大時には、回折格子が正の分散を与えるように配列されており、パルス圧縮時には、プリズムと回折格子とが負の分散を与えるように配列される。ＣＰＡ方式では、効果的な分散の補償を介してパルス幅は短くさせることができるが、圧縮時に、回折格子を四回通過させるために、圧縮効率が６０％未満に落ちてしまうという短所がある。また、ＣＰＡ方式を利用してパルスを圧縮する場合にも、連続波レーザをポンプレーザとして使用するために、１００ｋＨｚ級レーザの出力エネルギーが低いということが相変らず問題点として残っている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、前記の問題点を解決するために創案され、高出力エネルギーのパルスを放出する１００ｋＨｚ級の高反復率のフェムト秒再生増幅装置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】
【００１３】
前記目的を達成するために、本発明による高反復率のフェムト秒再生増幅装置は、パルスを放出するレーザ発振器と、前記パルスの幅を拡大する拡大器と、パルススイッチングのための音響光学的変調器、利得媒質をポンピングするためのパルス型レーザ、複数のミラーを介してパルスを往復させる共振器、及び負の分散を与える少なくとも１つのチャープミラーを備え、前記パルスを増幅させる再生増幅器と、前記パルスを圧縮する圧縮器とを備えることを特徴とする。
【００１４】
前記ポンプレーザは、高反復率パルス型緑色レーザから構成されうる。
【００１５】
前記ポンプレーザは、周波数倍化されたＮｄ：ＹＡＧレーザまたはＮｄ：ＹＶＯ４レーザから構成されうる。
【００１６】
前記レーザ発振器は、Ｔｉ：Ｓフェムト秒レーザ、あるいはＴｉ：Ｓ利得媒質の６５０−１，１００ｎｍ波長範囲でフェムト秒パルスを発生させることができるレーザから構成されうる。
【００１７】
前記利得媒質は、Ｔｉ：Ｓから構成されうる。
【００１８】
前記一つ以上のチャープミラーを利用し、前記共振器内部の分散を補償することを特徴とする。
【００１９】
前記拡大器は、パルスに負の分散を与えてパルス幅を拡大することを特徴とする。
【００２０】
前記再生増幅器は、２０−２００ｋＨｚの反復率を有することを特徴とする。
【００２１】
前記圧縮器から出力されるパルスが１００ｋＨｚ以下の反復率を有するとき、パルス当たり２０μＪ以上のエネルギーを発生させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明による再生増幅装置は、再生増幅器に少なくとも１つのチャープミラーを備え、増幅器内部で発生する正の分散を補償することにより、増幅時に分散によるパルス幅の変化をなくせる。これを介してパルス幅が狭まる場合に発生する光学的損傷を防止でき、再生増幅器内の往復回数に関係なく、パルス拡大器と圧縮器の因子（パラメータ）をそのまま維持でき、圧縮されたパルスのパルス幅最適化が容易になる。また、再生増幅器内のあらゆるミラーにチャープミラーを使用すれば、一般誘電体コーティングミラーより広いスペクトル幅を得ることができる。
【００２３】
また、連続波ポンプレーザの代わりにパルス型ポンプレーザを使用することにより、１００ｋＨｚ領域の反復率で同じ平均出力を有したとしても、パルス当たり実質的なポンプエネルギーを高めることができる。Ｔｉ：Ｓ利得媒質は、蛍光寿命が３．２μｓであるから、３００ｋＨｚほどから反復率が低くなるほど自発放出が多くなり、連続波ポンピングがエネルギー効率面で不利になる。よって、本発明の再生増幅器が主に使われる２０−２００ｋＨｚの反復率では、パルス型ポンプレーザが有利である。これにより、増幅エネルギーを高めることができ、高反復率フェムト秒レーザの用途範囲を広くすることができる。さらに、パルス型ポンプレーザには、別途のＱスイッチが不要なので、再生増幅器の構成を単純化できる。
【００２４】
また、ダウンチャープ増幅（ＤＰＡ：Ｄｏｗｎｃｈｉｒｐｅｄ Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）方式を利用してパルスを拡大及び圧縮することにより、パルス圧縮器が簡単になり、光学整列が容易になるという利点がある。また、パルス幅が圧縮器整列にあまり敏感ではなく、パルス幅の安定度が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施例について詳細に説明する。
【００２６】
本発明による再生増幅装置は、図５を参照すれば、レーザパルスを出力する発振器１００と、レーザパルス幅を拡大させる拡大器２００と、拡大されたパルスを再生増幅する増幅器３００と、増幅されたパルスを圧縮する圧縮器４００とを備える。
【００２７】
前記発振器１００は、例えば、極超短パルスレーザであり、Ｔｉ：Ｓフェムト秒レーザや、Ｔｉ：Ｓ利得媒質の増幅帯域（６５０ｎｍ−１，１００ｎｍ）でフェムト秒パルスを発生させることができるレーザ、例えば、光フィーバレーザから構成されうる。前記発振器１００は、パルスを前記拡大器２００に向かって出力する。前記拡大器２００は、少なくとも１つのプリズムと一対の回折格子とを備え、負の分散を与えることによってパルス幅を数十ピコ秒に拡大する。図６の（ａ）は、前記発振器１００から出力された極超短パルスを表し、図６の（ｂ）は、拡大器２００で負の分散を与えることによってパルスが短波長から長波長にわたって拡大されたことを示す。ここで、拡大されたパルスの前端の周波数が後端より高いＤＰＡ方式を利用してパルス幅を拡大する。
【００２８】
拡大器２００は、前記発振器１００から入射されたパルスに負の分散を与えるための第１プリズム２０５及び第２プリズム２０７、前記第２プリズム２０７を通過したパルスを対反射させる第１ミラー２１０を備える。前記第１ミラー２１０は、パルスが第１ミラー２１０で反射されるとき、若干下側に向かうようにし、反射されたパルスの高さが入射してきたパルスの高さより低くなるようにする。前記第１ミラー２１０で反射されたパルスは、第１プリズム２０５及び第２プリズム２０７を入射してきた高さから若干低くなりつつ、第１ピックアップミラー２０２側に向かい、第１ピックアップミラー２０２に反射されつつ経路が変更される。前記第１ピックアップミラー２０２で反射されたパルスは、第１回折格子２１７に入射される。第１回折格子２１７に対して第２回折格子２２０が平行に配置される。第１回折格子２１７及び第２回折格子２２０は反射型に製作され、パルスを第１回折格子２１７及び第２回折格子２２０間を往復させる。第２回折格子２２０で反射されたパルスは、第３ミラー２２２を介して第２回折格子２２０に対反射される。このとき、若干下側に反射させて入射パルスと出射パルスの高さが変わるようにする。
【００２９】
前記第２ミラー２１２と第１回折格子２１７との間のパルス進路上に、第２ピックアップミラー２１５が配置され、第２回折格子２２０と第１回折格子２１７とに反射されつつ出てきつつある高さが低くなったパルスを反射させて経路を変更する。第２ピックアップミラー２１５で反射されたパルスは、再生増幅器３００に向かう。前記第２ピックアップミラー２１５と再生増幅器３００との間に、パルス経路を変換するための第４ミラー２２５をさらに備えることができる。
【００３０】
前記第１ミラー２１２と第４ミラー２２５は、パルス経路を変更し、拡大器２００の配置構造やパルス経路長さを調節するためのものであって選択的に備わり、さらに多くのミラーが選択されることもある。一方、図面符号２３０は、ビーム断面の大きさを調節して再生増幅器３００の共振器モードに合わせるための第１テレスコープを表す。
【００３１】
前記拡大器２００から出力されたパルスは、再生増幅器３００を介して高反復率、例えば、１００ｋＨｚに再生増幅される。再生増幅器３００は、パルススイッチングのための音響光学的変調器３１５、すなわちブラッグセルと、利得媒質３２５と、パルスをポンピングするためのポンプレーザ３５０とを備える。前記利得媒質３２５としては、例えば、Ｔｉ：Ｓが使われ、ポンプレーザ３５０としては、高反復率パルス型緑色レーザが使われうる。前記ポンプレーザは、例えば、周波数倍化されたＮｄ：ＹＡＧレーザまたはＮｄ：ＹＶＯ４レーザから構成されうる。ここで、周波数倍化されたということは、二次調和波結晶を使用して元来の発振波長の半分に波長が変換されたということを表す。例えば、１，０６４ｎｍ波長が５３２ｎｍ波長に変換されたレーザでありうる。パルス型レーザを利用してポンピングすることにより、既存の連続波レーザを利用してポンピングを行うときに別途に必要であったＱ−スイッチが不要になる。前記再生増幅器３００の反復率は、シングルショットからＭＨｚまで変化が可能であり、ただポンプレーザの反復率によってのみ制約を受ける。現在までのＮｄ：ＹＡＧレーザやＮｄ：ＹＶＯ４レーザのような高反復率Ｔｉ：Ｓレーザの増幅用ポンプレーザ技術に照らし、前記再生増幅器３００の反復率は１−２００ｋＨｚに適用でき、特に既存のＴｉ：Ｓレーザ用の電気光学的変調器が作動できない２０−２００ｋＨｚ領域で使用するのに適している。２００ｋＨｚより大きくなるほどＴｉ：Ｓ利得媒質の増幅限界である３００ｋＨｚに近づき、既存の連続波ポンピングレーザの場合に比べて利点が少なくなる。
【００３２】
また、再生増幅器３００は、複数個のミラーを有する共振器と、共振器内部で発生する正の分散を補償する少なくとも１つのチャープミラーとを備える。チャープミラーは、コーティング時に、コーティングの厚さを順に変化させ（コーティング厚さのチャープ）、反射時に負の分散を与えるように特殊製作された誘電体ミラーである。チャープミラーが一般の高反射率ミラーの役割も担うことが可能であるので、再生共振器のあらゆるミラーがチャープミラーであることもある。前記共振器は、拡大器２００から入射されたパルスを複数個のミラーからなる共鳴空洞を介してパルスを増幅する。図５では、共振器が第５ミラー３１０、第６ミラー３１７、第７ミラー３２２及び第８ミラー３２７から構成された例を図示している。
【００３３】
一方、チャープミラーは、パルスに負の分散を与えることにより、共振器のミラーを介して自主的に発生する正の分散を補償し、再生増幅器の反復回数に関係なく再生増幅器から出てくるパルス幅を最初に拡大された値と同様に一定に維持できる。チャープミラーを使用しなければ、再生増幅器の内部を往復しつつ正の分散によってパルス幅が狭まるが、そのようになれば、増幅時にブラッグセルやＴｉ：Ｓ利得媒質に損傷を与えることがある。従って、チャープミラーを使用して負の分散を与えることにより、増幅時にブラッグセルやＴｉ：Ｓの利得媒質の損傷を防止して増幅率を高めることができる。
【００３４】
また、再生増幅器内の往復回数を変化させてもパルス幅が変わらず、パルス圧縮時に条件を変更する必要がない。従って、再生増幅器の増幅条件に関係なく、増幅装置全体の分散補償を容易にできる。図５では、少なくとも１つのチャープミラーが第１チャープミラー３０５、第２チャープミラー３０７、第３チャープミラー３２０及び第４チャープミラー３３０となっている場合を例示したものである。図６の（ｃ）は、再生増幅器３００を介して増幅されたパルスを表し、次表は５０フェムト秒以下の短いパルス幅に圧縮するための具体的なパルス拡大器、再生増幅器、パルス圧縮器の構成による分散を二次、三次及び四次分散まで整理したものである。
【表２】
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【００３５】
表２によれば、プリズムと回折格子とをパルス拡大器として使用し、かつ光学ガラスをパルス圧縮器として使用し、増幅装置全体的に二次分散だけではなく、三次分散まで補償されるということが分かる。一方、四次分散は、パルス幅に及ぼす影響が少ないので、無視した。ただし、５０フェムト秒以下のパルス幅を得るためには、かような分散補償と共に、５０フェムト秒以下のパルス幅を出すことができる広いスペクトルのレーザパルスが再生増幅器内に入射されねばならない。例えば、８００ｎｍの中心波長で、ほぼ４０ｎｍ以上の半値幅を有するガウス型スペクトルが再生増幅器に入射されねばならない。
【００３６】
再生増幅器３００の具体的な構成について述べれば、拡大器２００から出力されたパルスを受け入れるピックアップミラー３０２、ピックアップミラー３０２から入射されたパルスに負の分散を与えるための第１チャープミラー３０５及び第２チャープミラー３０７、第２チャープミラー３０７から入射されたパルスを順序通り反射させる第５ミラー３１０及び第６ミラー３１７、第６ミラー３１７から反射されたパルスを第６ミラー３１７側に対反射させつつ負の分散を与えるための第３チャープミラー３２０を備える。第３チャープミラー３２０から反射されたパルスは、前記パルス経路の逆方向に進む。すなわち、第６ミラー３１７、第５ミラー３１０、第２チャープミラー３０７、第１チャープミラー３０５を経て第７ミラー３２２に入射される。第７ミラー３２２で反射されたパルスは、利得媒質３２５を経て第８ミラー３２７に入射される。前記第５ミラー３１０、第６ミラー３１７、第７ミラー３２２及び第８ミラー３２７は、集束型ミラーであり、そのうち前記第７ミラー３２２、第８ミラー３２７は、ポンプビームは通過させて増幅されるビームは反射させる二色性コーティングされている。前記利得媒質３２５は、ポンプレーザ３５０によりポンピングされて発振される。発振されたパルスは、共振器を介して数十回往復されつつだんだんと増幅され、利得飽和に至れば、音響光学的変調器３１５を介して再生増幅器３００を抜け出す。
【００３７】
一方、前記ポンプレーザ３５０と第７ミラー３２２との間に、第２テレスコープ３５３と、パルス経路を変換するための第１反射ミラー３５５及び第２反射ミラー３５７と、レンズ３６０とがさらに備えられ、前記第２テレスコープ３５３とレンズ３６０は、Ｔｉ：Ｓ利得媒質３２５でのポンプビームの大きさを調節するためのものである。また、前記拡大器２００と再生増幅器３００との間に、パルスの進路を変換するためのミラー２３２，２３５，２４５と、パルスの偏光方向によってパルスを反射させたり、または透過させる偏光ビームスプリッタ２４０と、ファラディ孤立系２４２とが備わる。また、前記ポンプレーザ３５０から出力されたパルスをまた集束してポンプビームの吸収率を高めるために、再集束ミラーＲＭを前記第８ミラー３２７の後にさらに備えることができる。
【００３８】
前記偏光ビームスプリッタ２４０は、拡大器２００から出力されたパルスを再生増幅器３００側に送り、再生増幅器３００により増幅されたパルスが出力され、ファラディ孤立系２４２を介して偏光方向が変われば、前記増幅されたパルスを圧縮器４００に送る。前記偏光ビームスプリッタ２４０から出てきたパルスの経路を変換するためのミラー３９０がさらに備わりうる。
【００３９】
前記圧縮器４００は、光学ガラスブロックから構成されうる。圧縮器４００は、パルスに正の分散を与え、前記拡大器２００を介して負の分散で拡大されたパルスを圧縮する。前記圧縮器４００は、圧縮効率が高く、かつ構造が簡単であってパルス幅がパルス経路変化にあまり敏感ではないという長所がある。
【００４０】
次表は、本発明による再生増幅装置の増幅実験に使われたパラメータを整理した表である。
【表３】
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【００４１】
図７は、本発明による高反復率のフェムト秒再生増幅装置でのポンプビーム、パルス列及び増幅ビームについてのそれぞれ経時的な信号を表したグラフであり、一般的な再生増幅器で発生する信号順序に好ましく従っている。図８は、本発明による高反復率のフェムト秒再生増幅装置での発振器路から出力されたパルス、拡大後のパルス及び圧縮後のパルスについてのスペクトルの形を表したグラフである。一般的な増幅器と同様に増幅されつつスペクトル幅が狭まることを示しており、７８０ｎｍを中心波長に、約３６ｎｍの広いスペクトル幅を有するように増幅されうるということを示している。かかるスペクトル幅から、最小２０フェムト秒の短パルスに圧縮可能である。本発明の再生増幅装置によれば、２００μＪパルス型のポンピングエネルギーで３０μＪの増幅エネルギーを得ることができ、９５％の圧縮率で２８μＪの圧縮エネルギーを得ることができた。
【００４２】
図９は、本発明による高反復率のフェムト秒再生増幅装置から出力されたパルスを圧縮したときに得られたパルスの形である。周波数分解光ゲーティング（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｒｅｓｏｌｖｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｇａｔｉｎｇ）という方法で測定したとき、３９ｆｓ（フェムト秒）のパルス幅を有するように圧縮されたということを示している。よって、本再生増幅装置では、０．７ＧＷ（２８μＪ／３９ｆｓ）のピーク出力を有するパルスを１００ｋＨｚの反復率で生成できるということを示している。これは、現在まで１００ｋＨｚフェムト秒で得られた最大のエネルギー及びピーク出力である。このように、本発明による増幅装置は、特に２０−１００ｋＨｚの高反復率フェムト秒Ｔｉ：Ｓ再生増幅装置でエネルギー効率を高めるのに有用に適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明の高反復率のフェムト秒再生増幅装置は、例えば、レーザ関連の技術分野に効果的に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】Ｔｉ：Ｓ増幅器に基づいたフェムト秒レーザの反復率についてのピーク出力を図示したグラフである。
【図２】従来の１００ｋＨｚ級の高反復率のフェムト秒再生増幅装置の構成をブロック図で表した図面である。
【図３】従来の１００ｋＨｚ級の高反復率のフェムト秒再生増幅装置の構成を示した図面であり、（Ａ）は従来の１００ｋＨｚ級の高反復率のフェムト秒再生増幅装置に使われた再生増幅器の構成図を、（Ｂ）は従来の１００ｋＨｚ級の高反復率のフェムト秒再生増幅装置に使われた圧縮器の構成図を表している。
【図４】従来のＴｉ：Ｓレーザに基づいたフェムト秒再生増幅装置に使われたＣＰＡ方式によるパルス幅の拡大及び圧縮過程を示す図面である。
【図５】本発明の望ましい実施例による高反復率のフェムト秒再生増幅装置の構成を表した図面である。
【図６】本発明の望ましい実施例による高反復率のフェムト秒再生増幅装置に使われたＤＰＡ方式によるパルス幅の拡大及び圧縮を示す図面である。
【図７】本発明による高反復率のフェムト秒再生増幅装置でのポンプビーム、パルス列及び増幅ビームについてのそれぞれの経時的な形を表したグラフである。
【図８】本発明による高反復率のフェムト秒再生増幅装置で発振器から出力されたパルス、拡大後のパルス及び圧縮後のパルスについてのそれぞれの光学スペクトルを表したグラフである。
【図９】本発明による高反復率のフェムト秒再生増幅装置から出力されたパルスの経時的な形を表したグラフである。
【符号の説明】
【００４５】
１０，１００    発振器
１３    連続波アルゴンレーザ
１５    第１ビームスプリッタ
１７，２５，４７    反射ミラー
２１    共振器
２２    ブラッグセル（音響光学的変調器）
２３    Ｔｉ：Ｓ利得媒質
２４    Ｑスイッチ
３１    平面ミラー
３２    第１プリズムセット
３４    第２プリズムセット
４１    偏光ビームスプリッタ
４３    ファラディ回転子
４５    １／２波長板
２００    拡大器
２０２    第１ピックアップミラー
２０５    第１プリズム
２０７    第２プリズム
２１０    第１ミラー
２１２    第２ミラー
２１５    第２ピックアップミラー
２１７    第１回折格子
２２０    第２回折格子
２２２    第３ミラー
２２５    第４ミラー
２３０    第１テレスコープ
２３２，２３５，２４５，３９０    ミラー
２４０    ビームスプリッタ
２４２    ファラディ孤立系
２０，３００    再生増幅器
３０２    ピックアップミラー
３０５    第１チャープミラー
３０７    第２チャープミラー
３１０    第５ミラー
３１５    音響光学的変調器
３１７    第６ミラー
３２０    第３チャープミラー
３２２    第７ミラー
３２５    利得媒質
３２７    第８ミラー
３３０     第４チャープミラー
３５０    ポンプレーザ
３５３    第２テレスコープ
３５５    第１反射ミラー
３５７    第２反射ミラー
３６０    レンズ
３０，４００    圧縮器
ＣＭ１，ＣＭ２，ＣＭ３    曲率ミラー
ＲＭ    再集束ミラー
【図１】
2007129174.tif 000006
【図２】
2007129174.tif 000007
【図３】
2007129174.tif 000008
【図５】
2007129174.tif 000009
【図８】
2007129174.tif 000010
【図９】
2007129174.tif 000011
【図４】
2007129174.tif 000012
【図６】
2007129174.tif 000013
【図７】
2007129174.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成19年1月31日(2007.1.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェムト秒パルスを放出するレーザ発振器と、
前記パルスにダウンチャープ増幅方式により負の分散を与えてパルスの幅を拡大する拡大器と、
２０〜２００ｋＨｚの反復率パルススイッチングのための音響光学的変調器、Ｔｉ：Ｓ結晶より構成された利得媒質、利得媒質を高反復率でポンピングするためのパルス型ポンプレーザ、複数のミラーを介してパルスを往復させる共振器、及び負の分散を与える少なくとも１つのチャープミラーを備え、前記共振器の往復時累積される正の分散を補償することによりダウンチャープ増幅方式で発生するパルス幅減少効果を相殺しつつ前記パルスを増幅させる再生増幅器と、
光学ガラスブロックを用いて前記パルスを圧縮する圧縮器とを備える高反復率のフェムト秒再生増幅装置。
【請求項２】
前記ポンプレーザは、高反復率パルス型緑色レーザにより構成されることを特徴とする請求項１に記載の高反復率のフェムト秒再生増幅装置。
【請求項３】
前記ポンプレーザは、周波数倍化されたＮｄ：ＹＡＧレーザまたはＮｄ：ＹＶＯ４レーザにより構成されることを特徴とする請求項２に記載の高反復率のフェムト秒再生増幅装置。
【請求項４】
前記レーザ発振器は、Ｔｉ：Ｓフェムト秒レーザ、あるいはＴｉ：Ｓ利得媒質の６５０〜１，１００ｎｍ波長範囲でフェムト秒パルスを発生させることができるレーザにより構成されることを特徴とする請求項１に記載の高反復率のフェムト秒再生増幅装置。
【請求項５】
前記拡大器は、一対以上のプリズムと一対以上の対面する回折格子とを備えることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の高反復率のフェムト秒再生増幅装置。
【請求項６】
前記拡大器と圧縮器とにより二次分散及び三次分散を補償することによってパルス幅を圧縮することを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の高反復率のフェムト秒再生増幅装置。
【請求項７】
前記圧縮器から圧縮されるパルスの最小パルス幅が５０フェムト秒以下になることを特徴とする請求項６に記載の高反復率のフェムト秒再生増幅装置。
【請求項８】
前記圧縮器から出力されるパルスが２０〜１００ｋＨｚの反復率を有するとき、パルス当たり２０μＪ以上のエネルギーを発生させることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の高反復率のフェムト秒再生増幅装置。