JP2004022795A

JP2004022795A - マルチバンチレーザ発生装置及び発生方法

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Publication number: JP2004022795A
Application number: JP2002175532A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Okada; 岡田　康弘; Akira Endo; 遠藤　彰
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-06-17
Filing date: 2002-06-17
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2022-06-17
Also published as: JP4076132B2

Abstract

【課題】パルス強度の揃ったマルチバンチレーザビームを発生するのに適したマルチバンチレーザ発生装置を提供する。
【解決手段】レーザ光源が、パルスレーザビームを出射する。レーザ光源から出射されたパルスレーザビームがパルス強度変調器に入射する。パルス強度変調器は、入射するパルスレーザビームのパルス強度を変調する。パルス強度変調器で変調されたパルスレーザビームが光増幅器に入射する。光増幅器は、入射するパルスレーザビームを増幅する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マルチバンチレーザ発生装置及び発生方法に関し、特に、複数のパルスを含むレーザビームを光増幅器で増幅してマルチバンチレーザを発生する装置及び発生方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数のレーザパルスを集群させたマルチバンチレーザビームを発生する方法として、下記の２つの方法が知られている。
【０００３】
第１の方法は、複数個のレーザパルスを光学的に合成してパルス群を形成する方法である。第２の方法は、モードロックレーザ発振器から出射されたレーザパルス列から一部のパルスを切り出してパルス群を形成し、その後、増幅する方法である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
第１の方法は、１群（バンチ）内のパルス数が少ない場合には簡便な方法であるが、パルス数が増えるに従い、レーザパルスを合成する光学系が複雑になる。また、パルス群内のパルス間隔を一定に保ったり、他の基準周波数に同期させたりすることが困難である。
【０００５】
第２の方法によると、容易に１群内のパルス数を多くすることが可能である。さらに、パルス間隔は、モードロックレーザ発振器でフィードバック制御されるために、容易に他の基準周波数に同期させることができる。ただし、光増幅の過程で、前方のパルスが光増幅器の利得（ゲイン）を消費してしまい、後方の増幅率が低下してしまう現象が生じる。このため、パルス群内の後方のパルスの強度が、前方のパルスの強度よりも小さくなってしまう。パルス強度を揃えるために、下記のいずれかの方法が採用される場合がある。
【０００６】
第１の方法は、利得媒質における単位体積あたりの増幅率を低下させて、時間軸上でほぼ均一な増幅率を実現する方法である。この方法では、必要な増幅率を達成するために利得媒質の体積を大きくしなければならない。大きな利得媒質を均一に励起するために、高い励起エネルギが必要になり、全体の効率が低下してしまう。
【０００７】
第２の方法は、利得媒質を励起させるためのフラッシュランプのパルス波形を制御することにより、高安定なマルチバンチレーザビームを得る方法である。しかし、この方法を採用すると、利得媒質の励起回路が複雑になる。
【０００８】
本発明の目的は、パルス強度の揃ったマルチバンチレーザビームを発生するのに適したマルチバンチレーザ発生装置及び発生方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、パルスレーザビームを出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたパルスレーザビームが入射し、入射するパルスレーザビームのパルス強度を変調するパルス強度変調器と、前記パルス強度変調器で変調されたパルスレーザビームが入射し、入射するパルスレーザビームを増幅する光増幅器とを有するマルチバンチレーザ発生装置が提供される。
【００１０】
本発明の他の観点によると、パルスレーザビームのパルス強度を変調する工程と、パルス強度の変調されたパルスレーザビームを、光増幅器に入射させて増幅する工程とを有するマルチバンチレーザ発生方法が提供される。
【００１１】
パルス強度変調によってパルス強度を変調しておくことにより、光増幅器の利得消費による増幅率低下の影響を相殺し、パルス強度の揃ったマルチバンチレーザビームを得ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の実施例によるマルチバンチレーザ発生装置のブロック図を示す。実施例によるマルチバンチレーザ発生装置は、モードロックレーザ発振器１、パルススライサ２、パルス強度変調器（パルスモジュレータ）３、及び光増幅器４を含んで構成される。
【００１３】
モードロックレーザ発振器１は、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ等で構成され、２８５６ＭＨｚの基準周波数に同期して、パルス周波数１１９ＭＨｚの直線偏光されたパルスレーザビームＬＢ１を出射する。モードロックレーザ発振器１から出射されたパルスレーザビームＬＢ１が、パルススライサ２に入射する。
【００１４】
パルススライサ２は、制御装置１０から与えられる制御信号に基づいて、パルスレーザビームＬＢ１のレーザパルス列から、所定の通過期間内のパルスのみを通過させ、通過期間以外のパルスを通過させない。これにより、マルチバンチレーザビームＬＢ２が得られる。パルススライサ２を通過したマルチバンチレーザビームＬＢ２が、パルス強度変調器３に入射する。パルス強度変調器３は、制御装置１０から与えられる制御信号に基づいて、パルス強度を変調する。これにより、例えば、後方のパルスほど強度の大きなマルチバンチレーザビームＬＢ３が得られる。
【００１５】
パルス強度変調器３により変調されたマルチバンチレーザビームＬＢ３が、光増幅器４に入射する。光増幅器４は、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ等の利得媒質と利得媒質の励起用光源を含んで構成され、入射するマルチバンチレーザビームを増幅する。励起用光源は、制御措置１０から制御を受ける。これにより、増幅されたマルチバンチレーザビームＬＢ４が得られる。
【００１６】
図２を参照して、パルススライサ２及びパルス強度変調器３の構成及び動作について説明する。
【００１７】
図２（Ａ）に、パルススライサ２及びパルス強度変調器３の概略図を示す。パルススライサ２及びパルス強度変調器３は、１／２波長板２０、ポッケルスセル２１、偏光子２２、及び高圧電源２３を含んで構成される。パルスレーザビームが１／２波長板２０により偏光方向を制御され、ポッケルスセル２１に入射する。ポッケルスセル２１は、高圧電源２３から印加される電圧の大きさに依存してパルスレーザビームの偏光方向を旋回させる。ポッケルスセル２１を通過したパルスレーザビームが、偏光子２２に入射角４５°で入射する。
【００１８】
偏光子２２は、入射するパルスレーザビームのうち、入射面（図２（Ａ）の紙面に相当）に平行な偏光成分（Ｐ成分）を透過させ、入射面に垂直な偏光成分（Ｓ成分）を反射する。ポッケルスセル２１によって偏光方向が変えられると、Ｐ成分とＳ成分との強度比が変化する。従って、ポッケルスセル２１によって偏光方向を制御することによって、偏光子２２を透過するパルスの強度を変化させることができる。
【００１９】
１／２波長板２０を通過したパルスレーザビームがＳ成分のみになるように、１／２波長板２０の光学軸方向が調整されている。このため、ポッケルスセル２１に電圧を印加せず、偏光方向の旋回角が０°のとき、パルスレーザビームは偏光子２２を透過しない。ポッケルスセル２１に電圧を印加して、偏光方向を９０°旋回させると、偏光子２２に入射するパルスレーザビームがＰ成分のみになり、偏光子２２を透過するパルスレーザビームの強度が最大になる。
【００２０】
図２（Ｂ）に、１／２波長板２０、ポッケルスセル２１、及び偏光子２２を含む光学装置を、パルススライサ２として動作させる場合の高圧電源２３の電圧波形の一例を示す。時刻ｔ_１からｔ_２までの期間に、一定の電圧が印加され、それ以外の期間には、電圧が印加されない。時刻ｔ_１からｔ_２の期間に印加される電圧は、ポッケルスセル２１が偏光方向をちょうど９０°旋回させる大きさとする。このとき、時刻ｔ_１からｔ_２の期間（通過期間）のみ、パルスレーザビームが偏光子２２を通過する。
【００２１】
図２（Ｃ）に、１／２波長板２０、ポッケルスセル２１、及び偏光子２２を含む光学装置を、パルス強度変調器３として動作させる場合の高圧電源２３の電圧波形の一例を示す。電圧は、時刻ｔ_０よりも前の時点から線形に増加し始め、時刻ｔ_１を過ぎた時点で０Ｖに戻る三角波形状を有する。時刻ｔ_１の時点における電圧が、偏光方向をほぼ９０°旋回させる大きさになるように制御される。
【００２２】
時刻ｔ_０の時点における偏光方向の旋回角が０°よりも大きく９０°よりも小さい。時間の経過とともに電圧が大きくなるため、旋回角が徐々に大きくなる。時刻ｔ_１の時点で旋回角が９０°になる。このため、図２（Ａ）に示した光学装置による減衰量が、時間の経過とともに小さくなる。すなわち、偏光子２２を通過するパルスレーザビームのパルス強度は、時間の経過とともに徐々に大きくなる。
【００２３】
図１に戻って説明を続ける。光増幅器４の利得媒質は、励起光により、例えば２００μｓ程度の周期で励起される。増幅率低下の時定数は約２００μｓである。パルススライサ２で切り出されたマルチバンチレーザビームＬＢ２の最初のパルスから最後のパルスまでの間隔（バンチ幅）は、約１μｓである。このように、マルチバンチレーザビームＬＢ３が光増幅器４を通過する時間は、増幅率低下の時定数に比べて十分短い。
【００２４】
光増幅器４の利得媒質は、パルス強度変調器３によって変調されたマルチバンチレーザビームＬＢ３が入射する直前に励起され、マルチバンチレーザビームＬＢ３が通過する期間には、励起されない。このため、マルチバンチレーザビームＬＢ３のパルスが増幅されると、利得媒質の利得が消費され、光増幅器４の増幅率が低下する。
【００２５】
上記実施例では、光増幅器４に入射するマルチバンチレーザビームＬＢ３の後方のパルスほど強度が大きい。すなわち、強度の大きなパルスの増幅率が、強度の小さなパルスの増幅率よりも小さくなる。マルチバンチレーザビームＬＢ３のパルス強度の増加の程度を調節することにより、光増幅器４で増幅されたマルチバンチレーザビームＬＢ４のパルスの強度を均一に近づけることができる。
【００２６】
パルス数１００、パルス幅３〜１０ｐｓ、パルス周波数１１９ＭＨｚ、パルス強度変調前のパルスエネルギ１ｎＪ、増幅後のパルスエネルギ７５０μＪ、増幅後のマルチバンチレーザビームのパルス強度変動幅１０％以下となる条件で増幅を行う場合、上記実施例による方法では、光増幅器４の利得媒質の体積を０．３ｃｍ^３とし、励起光強度を０．６Ｊすればよいとの計算結果を得られた。
【００２７】
図３（Ａ）に、増幅前のマルチバンチレーザビームの波形を示し、図３（Ｂ）に、増幅後のマルチバンチレーザビームの波形を示す。増幅前のマルチバンチレーザビームのパルス強度は、理想的には、パルス数の増加とともに（時間の経過とともに）指数関数的に大きくなる。
【００２８】
これに対し、従来の方法を用いて同じ条件で増幅を行おうとすると、利得媒質の体積を３．６ｃｍ^３とし、励起光の強度を７．２Ｊとしなければならないとの計算結果を得た。このように、上記実施例による方法で増幅を行うことにより、利得媒質を小さくし、かつ励起光の強度を弱くすることができる。
【００２９】
上記実施例では、パルス強度変調器３を構成するポッケルスセル２１に印加する電圧を線形に増加させたが、その他の単調に増加する波形としてもよい。光増幅器４をレーザパルスが通過することによる利得の低下の割合に依存して、好適な電圧波形が選択される。例えば、光増幅器４で増幅されたパルスレーザビームＬＢ４のパルス強度の最大値と最小値との差が、パルス強度変調器３によって変調されていないパルスレーザビームを光増幅器４に入射したときの増幅後のパルスレーザビームのパルス強度の最大値と最小値との差よりも小さくなるように、パルス強度を変調すればよい。このような変調を行うために、指数関数的に増加する波形が好ましい場合もあるであろう。
【００３０】
上記実施例では、図１に示したように、パルススライサ２とパルス強度変調器３とを１個ずつ配置したが、図２（Ａ）に示したポッケルスセル２１に印加する電圧波形を制御することにより、パルススライサ２とパルス強度変調器３との機能を、１つのポッケルスセルを含む光学装置で実現することも可能である。
【００３１】
図２（Ｄ）に、パルススライサ２とパルス強度変調器３との機能を１つのポッケルスセルで実現する場合の電圧波形の一例を示す。時刻ｔ_０において電圧が急激に立ち上がり、時刻ｔ_０からｔ_１までの間は、電圧が単調に、例えば線形に増加する。時刻ｔ_１において、電圧が急激に立ち下がる。時刻ｔ_０及びｔ_１における電圧の立ち上がり及び立ち下りの時間は、モードロックレーザ発振器１から出射されるパルスレーザビームＬＢ１のパルスの周期以下である。
【００３２】
このように、時刻ｔ_０からｔ_１の間以外の期間の印加電圧を０Ｖとし、時刻ｔ_０からｔ_１までの期間を、電圧が単調に増加する波形に直流成分を重畳させた波形とすることにより、図２（Ａ）に示したポッケルスセル２１を含む１つの光学装置により、パルススライサ２とパルス強度変調器３との２つの機能を実現することができる。
【００３３】
図４に、上記実施例によるマルチバンチレーザビーム発生装置を用いたＸ線発生装置のブロック図を示す。上記実施例によるマルチバンチレーザ発生装置３０から出射されたマルチバンチレーザビームが波長変換素子３１に入射する。波長変換素子３１は、入射するマルチバンチレーザビームの４倍高調波を発生する。４倍高調波が、電子銃３２のフォトカソードに入射する。フォトカソードから放出された光電子が電子銃３２内の加速電界によって加速され、パルス状の電子ビームが出射される。
【００３４】
電子銃３２から出射されたパルス状の電子ビームが、リニアック３３で加速される。リニアック３３で加速されたパルス状電子ビームに、パルスレーザ発振器３４から出射されたパルスレーザビームが衝突する。この衝突によって、逆コンプトン散乱過程によるＸ線が発生する。マルチバンチレーザ発生装置３０、電子銃３２、リニアック３３、及びパルスレーザ発振器３４は、制御装置３５によって同期がとられている。
【００３５】
マルチバンチレーザ発生装置３０から出射されるマルチバンチレーザのパルス強度が揃っているため、電子銃３２から出射されるパルス状電子ビームの各パルスの電子密度を均一化させることができる。
【００３６】
また、図４に示したマルチバンチレーザ発生装置３０、波長変換素子３１、及び電子銃３２は、自由電子レーザ発生装置のパルス状電子ビーム発生源として用いることも可能である。
【００３７】
また、上記実施例によるマルチバンチレーザ発生装置は、レーザドリル用のレーザ光源として用いることもできる。１群内のパルス数や、パルス強度のピークを結ぶ包絡線の形状を変えることにより、加工される穴の形状等を制御することができる。さらに、上記実施例によるマルチバンチレーザ発生装置を、ポンププローブ法によるレーザ計測用の光源として使用することにより、高い時間分解能を得ることができる。
【００３８】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光増幅器の利得の低下に対応して、光増幅器に入射するパルスレーザビームのパルス強度を変調しておくことにより、増幅後のパルスレーザビームのパルス強度を、所望の大きさにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例によるマルチバンチレーザ発生装置のブロック図である。
【図２】パルススライサ及びパルス強度変調器の概略図、及びポッケルスセルに印加される電圧波形の一例を示すグラフである。
【図３】実施例によるマルチバンチレーザ発生装置内の増幅前のマルチバンチレーザビーム波形及び増幅後のマルチバンチレーザビーム波形を示すグラフである。
【図４】実施例によるマルチバンチレーザ発生装置を用いたＸ線発生装置のブロック図である。
【符号の説明】
１　モードロックレーザ発振器
２　パルススライサ
３　パルス強度変調器
４　光増幅器
１０　制御装置
２０　１／２波長板
２１　ポッケルスセル
２２　偏光子
２３　高圧電源
３０　マルチバンチレーザ発生装置
３１　波長変換素子
３２　電子銃
３３　リニアック
３４　パルスレーザ発振器
３５　制御装置

Claims

パルスレーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたパルスレーザビームが入射し、入射するパルスレーザビームのパルス強度を変調するパルス強度変調器と、
前記パルス強度変調器で変調されたパルスレーザビームが入射し、入射するパルスレーザビームを増幅する光増幅器と
を有するマルチバンチレーザ発生装置。
前記パルス強度変調器は、時間の経過とともにパルス強度の減衰量を少なくする請求項１に記載のマルチバンチレーザ発生装置。
さらに、前記レーザ光源と前記パルス強度変調器との間に配置され、該レーザ光源から出射されたパルスレーザビームのうち、ある通過期間のみパルスレーザビームを通過させ、通過したレーザビームを前記パルス強度変調器に入射させるパルススライサを有する請求項１または２に記載のマルチバンチレーザ発生装置。
前記光増幅器で増幅されたパルスレーザビームのパルス強度の最大値と最小値との差が、前記光増幅器に、前記パルス強度変調器によって変調されていないパルスレーザビームを入射したときの増幅後のパルスレーザビームのパルス強度の最大値と最小値との差よりも小さくなるように、前記パルス強度変調器がパルス強度を変調する請求項１〜３のいずれかに記載のマルチバンチレーザ発生装置。
パルスレーザビームのパルス強度を変調する工程と、
パルス強度の変調されたパルスレーザビームを、光増幅器に入射させて増幅する工程と
を有するマルチバンチレーザ発生方法。
前記パルス強度を変調する工程において、時間の経過とともにパルス強度の減衰量を少なくする請求項５に記載のマルチバンチレーザ発生方法。
前記パルスレーザビームのパルス強度を変調する工程の前に、さらに、パルスレーザビームの複数のレーザパルスから、ある通過期間のみの複数のパルスを切り出す工程を有し、前記パルス強度を変調する工程において、切り出された複数のパルスの強度を変調する請求項５または６に記載のマルチバンチレーザ発生方法。
前記光増幅器で増幅されたパルスレーザビームのパルス強度の最大値と最小値との差が、パルス強度を変調されていないパルスレーザビームを入射したときの増幅後のパルスレーザビームのパルス強度の最大値と最小値との差よりも小さくなるように、パルス強度を変調する請求項５〜７のいずれかに記載のマルチバンチレーザ発生方法。