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LASER DEVICE AND DEVICE USABLE FOR THE SAME

Patent code P190016303
File No. 08400
Posted date Aug 23, 2019
Application number P2015-125244
Publication number P2017-011105A
Patent number P6565079
Date of filing Jun 23, 2015
Date of publication of application Jan 12, 2017
Date of registration Aug 9, 2019
Inventor
  • (In Japanese)高橋 栄治
  • (In Japanese)付 玉喜
  • (In Japanese)緑川 克美
Applicant
  • (In Japanese)国立研究開発法人理化学研究所
Title LASER DEVICE AND DEVICE USABLE FOR THE SAME
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To enable stabilization of CEP of output laser pulse light in a laser device for outputting laser pulse light of a low frequency.
SOLUTION: A laser device 10 includes a first amplifying device 5 for amplifying pulsed light from an oscillator 3 to generate a first pulse train, and a second amplifying device 7 for amplifying the first pulse train at a second frequency lower than a first frequency to generate a second pulse train. The second pulse train is a mixture of low-frequency amplified pulsed light of the second frequency amplified by the second amplifying device 7 and non-amplified pulsed light having low intensity and high frequency. The laser device 10 includes a reference light generator 9 for extracting reference pulsed light from the second pulse train with an intermediate frequency lower than the first frequency and higher than the second frequency, and an adjustment device 13 for performing adjustment for compensating for variations in CEP of the amplified pulse light.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

図1は、非特許文献1に記載されているレーザ装置30の構成を示す。レーザ装置30は、発振器31とストレッチャ33と第1増幅器35と第2増幅器37とコンプレッサ39とCEP測定器41と制御部43とを備える。

発振器31は、微弱な超短パルス光(例えば80Mhzのパルス光)を生成して出力する。ストレッチャ33は、発振器31からの超短パルス光の時間幅を伸張する。第1増幅器35は、ストレッチャ33により伸張されたパルス光を増幅して、高周波数(1kHz)のパルス光を生成する。第2増幅器37は、第1増幅器35により生成された高周波数のパルス光をさらに増幅して、低周波数(10Hz)のパルス光を生成する。コンプレッサ39は、第2増幅器37により生成された低周波数のパルス光の時間幅を圧縮する。コンプレッサ39により時間圧縮されたレーザパルス光は、レーザ装置30から出力される。

レーザ装置から出力されるレーザパルス光の特性として、後述のイオン化現象や極短レーザパルス光の生成に影響を与える搬送波包絡線位相(CEP:Carrier-Envelope Phase)がある。図2は、CEPの説明図である。図2において、横軸は時間を示し、縦軸は、レーザパルス光の電場の強度を示す。図2において、実線は、1つのレーザパルス光の電場振動を示し、破線は、1つのレーザパルス光の包絡線を示す。CEPは、包絡線上の点が最大値をとる位相(時点)と、レーザパルス光の電場強度が最大値をとる位相(時点)との位相差(時間差)である。包絡線の形状(パルス光の時間幅に対応)が同じでも、包絡線に対するレーザパルス光の電場強度の位相は異なる。

レーザ装置30(コンプレッサ39)から出力される低周波数のレーザパルス光は、原子・分子のイオン化研究や、極短パルス軟X線の発生に用いられる。前者については、出力レーザパルス光を、試験対象の原子や分子に当て、これによる原子や分子のイオン化現象の発現を調べる。後者については、出力レーザパルス光を、原子や分子に当てて、その波長を変換させてパルス時間幅が極短(例えばアト秒オーダー)のレーザパルス光(以下、極短レーザパルス光という)を新たに生成する。

イオン化現象は、原子や分子に当てるレーザパルス光のCEPの値(以下、単にCEPという)により影響を受ける。極短レーザパルス光の特性(強度および時間幅)も、これを生成するために原子や分子に当てるレーザパルス光のCEPにより変化する。

したがって、レーザパルス光のCEP(Carrier-Envelope Phase)を安定させる必要がある。

CEPの変動として、高速および低速のものがある。発振器31において発生するCEPの高速変動(例えば1MHz~100MHzでのCEP変動)は、発振器31において安定化させることができる。レーザパルス光の増幅過程において発生するCEPの低速変動(例えば、100Hz以上1kHz未満でのCEP変動)は、以下の要因を考慮して以下のように安定化される。

CEPの低速変動の要因として、ストレッチャ33およびコンプレッサ39を構成する光学素子の微小振動や微小変位がある。この微小振動や微小変位は、外乱により生じる。外乱は、例えば、付近の機器や自然界で生じた振動や音波などである。例えば,コンプレッサ39は、互いに向き合う2つの回折格子を含み、その回折角が45度であり、その溝間隔が1umであるとして、回折格子同士の間隔が10nm変位すると,CEPは約130mrad変位する。

出力レーザパルス光のCEPの低速変動を補償するために、非特許文献1のレーザ装置30では、第1増幅器35から出力される高周波数(1kHz)のパルス光の一部を、サンプルパルス光として、第2増幅器37に入射させずに第2増幅器37をバイパスさせ、コンプレッサ39に入射させるようになっている。

CEP測定器41は、コンプレッサ39を通過したサンプルパルス光のCEPを測定する。制御部43は、測定されたCEPに基づいてストレッチャ33を構成する回折格子同士の間隔を調整する。この処理が時々刻々と行われることにより、CEPの低速変動を補償することができる。なお、下記の特許文献1にも、測定されたCEPに基づいてストレッチャを構成する回折格子の位置を調整する点が記載されている。

このように、非特許文献1では、第1増幅器35からの高周波数(1kHz)のパルス光の一部をサンプルパルス光としている。第2増幅器37からのパルス光は、100Hz以上で変動するCEPの安定化に用いるには、その繰り返し周波数が10Hzと低すぎるからである。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、発振器からのパルス光を増幅して低周波数のレーザパルス光を生成し出力するレーザ装置であって、出力するレーザパルス光の搬送波包絡線位相を安定化させる機能を有するレーザ装置及びこれに使用可能な装置に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
パルス光を生成する発振器と、
発振器からのパルス光を増幅することにより、第1周波数で繰り返されるパルス光の第1パルス列を生成する第1増幅装置と、
第1周波数よりも低い第2周波数で第1パルス列に対して増幅を行うことにより第1パルス列を第2パルス列に変える第2増幅装置とを備え、
第2パルス列は、第2増幅装置により増幅され第2周波数で繰り返される相対的に低頻度の増幅パルス光と、低頻度の増幅パルス光よりも強度が低く相対的に高頻度の非増幅パルス光とが混在した、第1周波数で繰り返されるパルス光のパルス列であり、
第1周波数よりも低く第2周波数よりも高い中間周波数で第2パルス列から参照パルス光を抽出することにより、中間周波数で繰り返される該参照パルス光の参照パルス列を生成する参照光生成装置と、
参照パルス列が入射され参照パルス列の参照パルス光のCEPを測定するCEP測定器と、
測定されたCEPに基づいて、前記増幅パルス光のCEPの変動を補償する調整を行う調整装置を備える、ことを特徴とするレーザ装置。

【請求項2】
 
前記調整装置は、測定されたCEPに基づいて、
第1増幅装置もしくは第2増幅装置を構成する光学素子の位置または向きを調整し、
前記発振器を励起するレーザ光のパワーを調整し、または
第1増幅装置を構成するストレッチャと第1増幅器との間に設けられた電気光学結晶に印加する電圧を調整する、ことを特徴とする請求項1に記載のレーザ装置。

【請求項3】
 
第1増幅装置は、
発振器により生成されたパルス光のパルス時間幅を伸張するストレッチャと、
ストレッチャで伸張された伸張パルス光を第1周波数で増幅することにより、該伸張パルス光から、第1周波数の第1パルス列を生成する第1増幅器とを備え、
前記調整装置は、測定されたCEPに基づいて、前記ストレッチャの光学素子の位置または向きを調整する、ことを特徴とする請求項1または2に記載のレーザ装置。

【請求項4】
 
第2増幅装置は、
第1増幅装置からの第1パルス列を第2周波数で増幅する第2増幅器と、
第2増幅器からの各パルス光のパルス時間幅を圧縮し、圧縮された該パルス光の列を前記第2パルス列として出力するコンプレッサとを備える、ことを特徴とする請求項1、2または3に記載のレーザ装置。

【請求項5】
 
参照光生成装置は、
第2増幅装置から出力された第2パルス列の一部を抽出するビームスプリッタと、
ビームスプリッタで抽出された第2パルス列の一部から中間周波数で参照パルス光を抽出して出力するチョッパと、を備える、ことを特徴とする請求項1~4のいずれか一項に記載のレーザ装置。

【請求項6】
 
前記チョッパは、第2パルス列のうち、低頻度の増幅パルス光を遮断し、高頻度の非増幅パルス光を中間周波数で通過させることにより、高頻度の非増幅パルス光から参照パルス光を抽出して出力する、ことを特徴とする請求項5に記載のレーザ装置。

【請求項7】
 
相対的に低頻度の増幅パルス光と、低頻度の増幅パルス光よりも強度が低く相対的に高頻度の非増幅パルス光とが混在したパルス列が入射され、入射された該パルス列から、参照パルス光を抽出し、中間周波数で繰り返される該参照パルス光の参照パルス列を生成し、
前記パルス列は、第1周波数で繰り返されるパルス光のパルス列であり、当該パルス列において、増幅パルス光は、第1周波数よりも低い第2周波数で繰り返され、前記中間周波数は、第1周波数よりも低く第2周波数よりも高い、ことを特徴とする参照光生成装置。

【請求項8】
 
相対的に低頻度の増幅パルス光と、低頻度の増幅パルス光よりも強度が低く相対的に高頻度の非増幅パルス光とが混在したパルス列が入射され、入射された該パルス列から、参照パルス光を抽出し、中間周波数で繰り返される該参照パルス光の参照パルス列を生成する参照光生成装置と、
参照パルス列が入射され参照パルス列の参照パルス光のCEPを測定するCEP測定器と、を備え
前記パルス列は、第1周波数で繰り返されるパルス光のパルス列であり、当該パルス列において、増幅パルス光は、第1周波数よりも低い第2周波数で繰り返され、前記中間周波数は、第1周波数よりも低く第2周波数よりも高い、CEP測定装置。

【請求項9】
 
増幅パルス光生成装置に対して設けられる補償装置であって、
前記増幅パルス光生成装置は、
パルス光を生成する発振器と、
発振器からのパルス光を増幅することにより、第1周波数で繰り返されるパルス光の第1パルス列を生成する第1増幅装置と、
第1周波数よりも低い第2周波数で第1パルス列に対して増幅を行うことにより第1パルス列を第2パルス列に変える第2増幅装置とを備え、
第2パルス列は、第2増幅装置により増幅され第2周波数で繰り返される相対的に低頻度の増幅パルス光と、低頻度の増幅パルス光よりも強度が低く相対的に高頻度の非増幅パルス光とが混在した、第1周波数で繰り返されるパルス光のパルス列であり、
前記補償装置は、
第1周波数よりも低く第2周波数よりも高い中間周波数で第2パルス列から参照パルス光を抽出することにより、中間周波数で繰り返される該参照パルス光の参照パルス列を生成する参照光生成装置と、
参照パルス列が入射され参照パルス列の参照パルス光のCEPを測定するCEP測定器と、
測定されたCEPに基づいて、前記増幅パルス光のCEPの変動を補償する調整を行う調整装置と、を備える補償装置。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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