高強度オゾンプラズマグレーティングの開発
1013131 野間澄人

指導教員：米田仁紀

1.背景φ(∆ω) =近年、超高強度レーザーの開発が行われており、ペタワット（10151φ̈ (∆ω)22 0ワット）級の出力を出せるレーザーも数多くの国で開発される・・・・・・（1）ようになった。そして、エクサワット（1018 ワット）というさらとなり時間領域におけるパルス幅が伸長する。この与えられたに高出力レーザーを目指したとき、それの開発には、従来の光学分散に対してパルス圧縮器で逆の分散をかけてやれば元のパル素子で取り扱える強度より桁違いに大きな強度の光を扱え得るス幅に戻ることになる。

光学素子開発が必須となっている。特にパルス圧縮部で使用さ分散を与え、パルスを伸長、圧縮させる素子としては、角度にれる回折格子などの光学素子は、原理的に通常のミラーよりレより光路差を与えるものと伝番方向の構造周期によって光路差ーザー耐力が 1 桁以上小さくなっておりこれまでは大型化で解を与えるものがあり、代表的な例として、回折格子とファイバー決を図っていたが次世代のレーザーでは、製作の限界を超えるグレーティングを示す。回折格子は生産性は高いものの、光が強と考えられる。そこで、本研究では、プラズマを媒質とした桁違くなればそれだけ面積の大きなものが必要となり損傷閾値に限いに高強度光を取り扱える回折光学格子の開発を目的に研究を度がある。また、ファイバーグレーティングのほうも、小型の圧行った。

縮装置として使うことができるが、高強度の光の場合ファイバーの媒質により非線形効果が起こり吸収や変形損傷が起きる問

2.原理
2.1

題がある。

高強度パルスレーザー

パルス幅がとても短く、ピーク値が高いレーザーを超短パルスレーザーと呼び、様々な研究やまた産業にも広く使われている。
現在、超短パルスレーザーについて様々な研究、開発が進められて いる が、 この 超短 パル スレ ーザ ーの 発展 には 1985 年にMourou らによって開発されたチャープパルス増幅技術が必要（1）不可欠であった。
チャープパルス増幅とは、高ピークを得るた

図 2.1 チャープパルス増幅の概念図（2）めの増幅をするときに自己収束による増幅素子の損傷を回避するために開発された方法である。チャープパルス増幅の概念図を図 2.1（3）に示す。チャープパルス増幅は図 2.1 にあるように、2.2

パルス伸長器とパルス増幅器とパルス圧縮機によって構成されチャープパルス増幅における伸長、圧縮は分散機能素子を使用る。パルス伸長器の目的は、パルスのパワーのピーク値を落とすしパルスを伸長、圧縮する。一般に分散機能素子としては、固ためであり、分散媒質に光を入射することにより、波長による伝体の回折格子やプリズム、ファイバー内にレーザーで屈折率変番の差が表れ、パルス幅が広がる。そして、増幅器が損傷しない調を書き込んだファイバーグレーティングなどがある。本研究程度以下にパワーが落ち、幅が広がったパルスを増幅器で増幅では、超高強度レーザーで用いられるチャープパルス増幅器のし、増幅されたパルスをパルス圧縮器の中で、分散媒質に波長に伸長、圧縮の部分の大幅な小型化を狙い、プラズマを用いて、よる伝番の差なくすように作用させて圧縮する。このようにし桁違いに大きな強度で同一機能を果たす分散素子を考える。本て、短いパルス幅で高ピークパワーを得ることができる。超短パ研究では、ファイバーグレーティングのような周期構造を気体

ルス光は時間領域幅が狭い代わりに、周波数領域では幅の広いにプラズマで与えることにより、分散素子として働くプラズマ光であり、これらの関係はフーリエ変換限界によって決まる。こグレーティングの開発を目指す。図2.2 に示すような屈折率周のようなフーリエ限界のパルスに対して、中心周波数からのず期構造体において１次元モード結合理論を用いて反射率を評価れ∆ωに対する二次の分散φ̈0 を与えるとフーリエ合成におけるできる。（3）相対位相差は、プラズマグレーティング

また、誘電体多層膜ミラーと同じ原理であると考え、簡易に図2.3 屈折率周期変調構造

図2.2 屈折率1次元周期構造

図 2.4 のように屈折率 n1 と n2 からなる周期 2 l（反射する光の波長（ブラッグ波長）λB＝2ml、m は有効屈折率）の構造体を考え、それぞれの位置の境界における屈折率差から起こる反射の重ね合せから反射率ｎを求めることもできる。実際に計算を

図2.4 プラズマグレーティングの概念図して求めてみると、
n=n1 −n2n2 −n1 −i2Ln /λ2+e+⋯
n1 + n2 n2 + n1・・・・・・（2）となり、ここからも計算することができる。
プラズマグレーティングを作る際、今回の実験において不等間隔にしなければならない。レーザーで気体をプラズマ化することは述べたが、具体的には述べていないので、ここで述べておく。とにした。そのために、プリズムのそれぞれの屈折率を調べ、どのような配置になるか屈折の法則から計算した。また、そのプリズム群を光が通った時どのように分光するかをシミュレーションした。また、高強度の Kr-F エキシマレーザーを使うのでプリズムは、高強度にも耐え得る合成石英（Fused silica）を使用した。
その後、実際にシミュレーションした通りに、実際にエキシマレーザーの光を入射した。この時、入射する角度が少しでもずれ

Kr-F エキシマレーザーで干渉縞を作りそれを、それをオゾンると、プリズムを多く使ったために強度の効率が極端に悪くなに入射すると光のあたる部分のみが光のエネルギーをプラズマるので、プリズムからプラズマグレーティングを作るのに十分化し、干渉縞の形にプラズマの層ができ、当たらないところはな強さの光が出射するまで、何度もセッティングしなおした。

オゾンの層ができる。ただ、普通の干渉縞であると、プラズマ3.2 干渉縞の作製とプラズマの間隔は同じであり、単一の波長は反射しても、パプリズムの列を通りフォーカスレンズを通過した光にビームルスを伸長、圧縮することはできない。そこで、今回の実験でスプリッターを使い 2 つに分ける。今回使うレーザーは、連続光は、レーザーの光で干渉縞を作る前に、プリズムでレーザー光ではなくパルスであるので 2 つに分けた光の光路の長さは同じを分光してやり、ビーム径の端と端で光の進む角度を少し変でないと干渉しない。つまり、分けた光路のそれぞれの長さを同え、また、端から端まで波長がグラデーションで変化するようじにし、片方の光路は可変させられるようにし、マッハチェンダする。そうすることで、干渉縞を作ったときに干渉縞の間の距ー干渉計を組み、光路を調整することで 2 光線を干渉させて干離が等間隔にならないようにした。

渉縞を発生させた。そして、それをレンズの焦点距離となる位置最後に、プラズマグレーティングの概念図も載せておく。

でガラスに映し CCD で読み取った。
また、位置により波長ごとに分光されているから、BS1~BS23.書き込み系の製作の間のそれぞれの光に使われるミラーの数は、偶数または奇数3.1に合わせられてなければいけないので、本実験では 1 枚と 3 枚プリズムのセッティング

前章において、不等間隔の干渉縞を作る際レーザー光を分光すにして奇数に統一した。

ると述べた。今回の実験ではプリズムを使用して分光した。分

更にこの時 M3、M4 を乗せた X 軸ステージをずらし、それぞ光するといっても、レーザーの光であり、コヒーレントは非常れの時のビジビリティーを測り、それによりこの光の過干渉距に高く、波長幅は非常に狭い。そのため、グレーティングに十離も調べた。

分なビーム径を得ようとすると、ビーム径まで広げるのに長距3.3

離光を飛ばさなければいけなくなる。そこで、光を効率よく分

図 3.2 の干渉計において図 3.3 の干渉縞を測定することができ散させる角度において、できるだけ多くのプリズムを並べるこた。

干渉縞の作製の結果

4.パルスオゾンプラズマ装置
4.1

パルスオゾンプラズマ装置の作製

現在、高強度のチャープパルス増幅法は真空で行われる。これは、光が強いため空気中だと散乱が起こりピーク値が落ちるた
めでる。そこで、こちらが意図したときにオゾンを出現させる装置をつくった。こちらから、酸素を入れ、市販のオゾナイザを通して、オゾン濃度を高める。そして、オゾンストレージ部でオゾンをため、ここでインバーター回路を用いて誘電体バリ
図 3.2 干渉計

ア放電を起こさせ、オゾン濃度を高めた。そして、圧力を高め

M1,M2,M3,M4,M5,M6；248nm 高反射率ミラー、BS1,BS2；ビームス

バルブのスイッチが入るとオゾンが発射する。そして、コイル

プリッター、L；フォーカスレンズ、P1，P2，P3，P4，P,5，P6，とパルスジェネレータを使いスイッチ回路に電流が流れるとほP7，P8；合成石英

ぼ同時の任意の時間にレーザーの trigger が引かれるようにした。

図 3.3 干渉縞

図 4.12 のピークを数えると 80 個の山があり、それはつまり図4.9 の干渉縞において 80 本の干渉縞があるということである。

図 4.1 パルスオゾンプラズマターゲット装置

今、1mm あたりの画像上のピクセル数は 189 個でありこの画像は横幅のピクセル数は 480 個であるから、
640 ÷ 189 ÷ 80＝0.0423 …

4.2 パルスオゾンプラズマの分布観測発射されたオゾンの分布観測をした。バルブが開き、オゾンが出てくると設定したディレイでＫｒ－ｆレーザーを出射し、ガラスに、光を白く発光させてその像をＣＣＤでとった。もし、そこに、オゾンがあればレーザーの光を吸収しガラスまで届かず光らない。しかし、そこになければ、ガラスは光るので、その比をとって分布を観測した。

図 3.4 図 3.3 の画像解析結果となり一つの干渉縞の間の幅は 42.3μm となる。また、プラズ
マグレーティング全体の横方向のピクセル数は、2184 ピクセルで、2184 ÷ 189 = 11.56 …
11.56mm となった。

図 4.2 オゾンプラズマに対する照射実験

また、中心と端で干渉縞の間隔は 4％の違いがあり不等間隔の干渉縞ができていることが確認できた。

4.3 パルスオゾンプラズマの分布観測の結果

結果は図 4.3 のようになり、吹き出したオゾンのプラズマの形がはっきりとわかった。オゾンを発射させない時の Kr-F レーザーによるガラスの発光(入力光)の強さを I0、発射させた時のガラスの発光(出力光)の強さを I1、として I0／I1 を取ると次の
図 4.4 ようになりより形が分かった。また、バルブを開く瞬間のオゾンストレージ部の圧力に形が依存することがわかった。
また、バルブを開くタイミングや、バルブが開いている時間にも依存することがわかった。

図4.5 解析したオゾンプラズマ

図4.3 気圧差によるオゾンプラズマの形の違い

図4.6 解析した出入力比

図4.4 図4.3のI0／I1の画像

子用書き込み光学系を製作、特性を評価し、パルス動作可能な
また、図4.5の黄色で囲んだところの値を取ると図4.6のようになり、オゾンプラズマで囲まれたところは入力光に対し出力光(α は、吸収係数)で表I
I

され、L = 1.60[cm 、 log 0 = 5.25より、

1I01
α = log =× 5.25 = 3.290
LI1.60
また、α は吸収断面積 σ とオゾン分子密度 N によって、α =𝑁σ

今後の展望としては、干渉縞のビジビリティーの改善、パルス動作時のオゾン媒質の最適条件の発見をした後、紫外光によるオゾングは平均で1/190となった。
光の吸収反応の入出力比は、I = I0 𝑒 −𝛼𝐿

オゾンターゲットを作成した。

(σ = 1 × 10−17 )と表されるのでオゾン分子密度は、
𝛼𝑁 = = 3.29 × 1017 [個 cm3𝜎であることがわかった。

5.まとめと今後の展望
本実験では、広帯域紫外光を利用した不等間隔プラズマ回折格レーティングを書き込み評価する。

6.参考文献（1）D. Strickland and Mourou. Opt. Commun. 56, 219 (1985)（2）修士論文 上松弘明 米田仁紀研究室 電気通信大学（2008）（3）Kondou Kiminori and Kodama Ryosuke ‘Generation of
Periodic Structure Plasmas and Its Application toControl of Laser Light’ J. Plasma Fusion Res. Vol.84,
No.4 (2008) 199-203