レーザー光源

レーザー科学研究所 大型装置運転室 LFEX レーザー開発・運用グループ

世界最高出力のLFEXペタワットレーザー< スタッフ > 総括班：河仲 準二 准教授、宮永 憲明 教授、實野 孝久 招聘教授、白神 宏之 教授、
中田 芳樹 准教授、時田 茂樹 講師、藤岡 慎介 教授
LFEX（エルフェックス）は、チャープパルスレーザーの原理に基づく世界最大のペタワットレーザーです。広い波長域の光波の位相を揃えると、極めて短い時間だけ光波が強め合って超短パルスが発生します。チャープパルスレーザーは、強力な超短パルスによる増幅器の破壊を避けて大出力を得る方法です。まず、回折格子対がもつ時間遅れの波長依存性を利用して、超短パルスを構成する光波の長波長成分を前に短波長成分を後に配列し、あたかも時間的な虹のようなパルスに変換します。この虹状の光パルスを増幅した後に、逆の効果をもつ回折格子対を用いて再び超短パルスに戻します。この手法によってパルスのピーク強度を各段に増大させることができます。
LFEX は、フロントエンド、前置増幅器、主増幅器、リアエンドから構成されています。フロントエンドでは、発振器からの超短パルスを虹状の光パルスに変換し、光・光変換（OPCPA）で数 10mJ まで増幅します。小型の Nd: ガラスレーザーで増幅した後、4 パス光路の大口径（400mm × 400mm）ディスク型増幅器で増幅します。ディスク型増幅器は 4 ビームを 2 × 2 マトリックス構造に一体化したものであり、1 ビーム当たり 3kJ の出力を得ます。パルス幅は約 2ns（光軸方向長さ 60cm）で、この虹状光パルスをリアエンドのパルス圧縮器を用いて1ns に、さらに1ps（1/2000）にまで圧縮します。4ビー
ム最終出力部でのパルスは、大きさが畳半畳、厚さが 0.3mm の光のシートとなります。
（1 ペタワット（1PW）:1015W）~60 cm回折格子	

Nd: ガラス増幅器

パルス圧縮器（正分散）	

（負分散）	
主増幅器	  (2x2マトリックス)	

Disk amplifier DA400S	 

Monitor	 

4-pass rodamplifier

TTPM	 OS	 OS	 OS	 

前置増幅器	Rod amplifier

S-HS	 

S-HS	 DFM 75S	 

RA50

DFM 125S	 

TS	 

Beamsplitting
optics	 

フロントエンド	

DFM125
DFM125S	
OS125
OS125S	OPCPA – 3
8 nm/5.7 ns	 G1	 

OPCPA - 2	 
Pulse stretcher - 2	 
OPCPA - 1	 

主増幅器の４パス光路	  DA400S	
DA400

Pulse stretcher - 1	 
Spectral phase modulator	 Fiber ML oscillator
100 fs (Δλ = 16 nm)	 

（１ビームのみ表示）	

Focusing	 
optics	 

OPCPA: optical parametric chirped pulse amplifier, RA: rod amplifier,
DA: disk amplifier, OS: optical shutter (Pockels cell), FR: Faraday rotator,
SF: spatial filter, DFM: deformable mirror, TS: translation stage,
TTPM: tip-tilt/piston mirror, G: multi-layer dielectric gratingcf. DA400S: disk amplifier of clear aperture of 400mmx400mm

リアエンド	

図 1 チャープパルス増幅・圧縮の原理（上）とLFEX ペタワットレーザーの構成図（下）.

チャープパルス増幅器（図 2）

激光XII号レーザー
増幅器列	

1

時間分解スペクトル	 
Streaked spectrograph	 2

時間積分スペクトル	 

集光パターン	

341045

1050
1055
Wavelength (nm)1060

図 2 主増幅器部の写真（左）とチャープパルス出力（右）.
0.575 µm!

Interactionchamber	 

SiO2!
HfO2!
SiO2!

HfO2!

Plymouth, !
Massachusetts!

Rear end (2F)	

SM1	

M10	Off axis
parabola mirror	

M1	2×2	

2×2	
M9	M7	M5	SM2	M6	Rodshot	 

ダイヤモンド光路型パルス圧縮器（図 3）G2	 Pulsecompressor	 

DFM75
DFM75S	

Pulse monitor 1	

最新研究トピックス

Monitor	 
U-turn	 mirror	 End mirror	 M8	2

Faraday rotator	 
FR1200	 

Spatial filter SF400S	 0フラッシュランプ励起のディスク増幅器は 8 台直列です。ランプ光反射板を高精度の照明計算に基づいて設計・製作し、ビーム断面での利得分布を一様化することによって均一な出力ビームパターンを達成しています。
フロントエンドで OPCPA 出力のスペクトル形状を制御し、Nd: ガラ
ス増幅器の利得スペクトルの非対称性と狭帯域化を補正して、中心波長 1053nm、半値全幅約 3nm のガウス型スペクトルを実現しています。また、ランプ励起と同時に生じる動的波面歪みを可変形鏡で補正し、回折限界に近い高ビーム品質を達成しています。

大口径
回折格子	

大口径
回折格子	

パルス伸長器

ビームパターン (1ビーム)	

TOPICS

1 kJ/1 ps(0.3 mm)

回折格子	(ns)

最新研究トピックス

0.1 ps(30 µm)Time1TOPICS

超短パルス発振器

Grating 2	Pulse
compressor	

~1.0ps	 
Grating 1	

Diskshot	 

M4	
M3	~1.0ps	 

M2	

Compressor alignment	

図 3 LFEX ペタワットレーザーのリアエンド内の装置配置 .

2 × 2 マトリックスビームを縦一列に並べ替え、パルス圧縮した後に再び 2 × 2 に戻し、1m 級の軸外し放物面鏡で集光します。HfO2/SiO2 多層膜上に SiO2 の溝（1740 本 /mm）を形成した誘電体回折格子 2 枚をタイル状に並べ、幅 1.8m を実現しています。Grating 1 → M3 → Grating 2 と Grating
2 → M6 → Grating 1 の光路の分散を 0.3% ずらすことにより、スペキュラー成分を分離しています。また、この光路構成によって、回折格子の溝密度誤差によるビーム分裂を自動的に補正することができます。現在 3 ビームで試験運用に入っており、最短パルス幅約 1psで高速点火レーザー核融合、電子加速、陽電子生成、イオン加速に供給を始めています。
URL：http://www.ile.osaka-u.ac.jp/jp/overview/facilities/lfex.html
6100 Opto Researches