特開 2017-5130 パルス型ヨウ素レーザ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2017-5130(P2017-5130A)

(43)【公開日】2017年1月5日

(54)【発明の名称】パルス型ヨウ素レーザ装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/095 20060101AFI20161209BHJP

   H01S 3/092 20060101ALI20161209BHJP

   H01S 3/10 20060101ALI20161209BHJP

   H01S 3/23 20060101ALI20161209BHJP

【ＦＩ】

   H01S3/095

   H01S3/092

   H01S3/10 D

   H01S3/23

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2015-118102(P2015-118102)

(22)【出願日】2015年6月11日

(71)【出願人】

【識別番号】507351702

【氏名又は名称】武久 究

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(74)【代理人】

【識別番号】100129953

【弁理士】

【氏名又は名称】岩瀬 康弘

(72)【発明者】

【氏名】武久 究

【テーマコード（参考）】

5F172

【Ｆターム（参考）】

5F172AD04

5F172DD03

5F172EE02

5F172EE26

5F172NP08

5F172NP14

5F172NP18

5F172NR28

(57)【要約】

【課題】高効率なパルス型ヨウ素レーザ装置を提供すること。
【解決手段】本発明の一態様にかかるパルス型ヨウ素レーザは、フラッシュランプ励起ヨウ素レーザであり、１マイクロ秒以上のパルス幅を有するレーザ光を発生させるフラッシュランプ励起ヨウ素レーザ発振器１０と、励起酸素発生器１０２を有する化学励起ヨウ素レーザを１段以上有し、前記発振器からのレーザ光を増幅する化学励起ヨウ素レーザ増幅器２０と、を備えたものである。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

フラッシュランプ励起ヨウ素レーザであり、１マイクロ秒以上のパルス幅を有するレーザ光を発生させる発振器と、
励起酸素発生器を有する化学励起ヨウ素レーザを１段以上有し、前記発振器からのレーザ光を増幅する増幅器と、を備えたパルス型ヨウ素レーザ装置。

【請求項2】

前記増幅器が、塩素ガスを含むガス容器と、ヨウ素分子を含むガス容器とを備え、
前記フラッシュランプ励起ヨウ素レーザの発光タイミング、前記塩素ガスを前記励起酸素発生器に供給するタイミング、及び前記ヨウ素分子を前記増幅器のチャンバ内に供給するタイミングを制御する制御装置を備えることを特徴とする請求項１に記載のパルス型ヨウ素レーザ装置。

【請求項3】

前記ヨウ素分子を前記増幅器の前記チャンバ内に供給するタイミングを、前記塩素ガスを前記励起酸素発生器に供給するタイミングより遅らせることを特徴とする請求項２に記載のパルス型ヨウ素レーザ装置。

【請求項4】

前記増幅器内に満たされる励起酸素分子から発生する自然放出光の光強度に基づいて、前記ヨウ素分子を前記増幅器の前記チャンバ内に供給するタイミングを制御することを特徴とする請求項２、又は３に記載のパルス型ヨウ素レーザ装置。

【請求項5】

前記増幅器内に満たされる酸素分子の圧力に基づいて、前記ヨウ素分子を前記増幅器の前記チャンバ内に供給するタイミングを制御することを特徴とする請求項２、又は３に記載のパルス型ヨウ素レーザ装置。

【請求項6】

前記増幅器内に入射させるレーザ光におけるビーム断面積が、伝搬中に増加していくように前記増幅器のチャンバ内を伝搬させることを特徴とする前記請求項１〜５のいずれか１項に記載のパルス型ヨウ素レーザ装置。

【請求項7】

励起酸素発生器を有する化学励起ヨウ素レーザを有する発振器と、
励起酸素発生器を有する化学励起ヨウ素レーザを１段以上有し、前記発振器からのレーザ光を増幅する増幅器と、
前記発振器にヨウ素分子を注入するタイミングと、前記増幅器にヨウ素分子を注入するタイミングとを制御する制御装置を備えたパルス型ヨウ素レーザ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、パルス型ヨウ素レーザ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

励起状態のヨウ素原子（I(²P_3/2)）から放射される波長１．３１５μｍの光をレーザ動作させるヨウ素レーザに関して、特に化学励起酸素ヨウ素レーザはＣＯＩＬ（Chemical Oxygen-Iodine Laser）と呼ばれている。ＣＯＩＬは大出力に連続（ＣＷ：Continuous Wave）動作できることで広く知られている。レーザ動作させるには、先ず、ＢＨＰ溶液と、塩素ガスとの化学反応によって励起酸素分子を発生させる。なお、ＢＨＰ溶液は、過酸化水素水（H₂O₂）と、水酸化カリウム（KOH）または水酸化ナトリウム（NaOH）との混合溶液である。励起酸素分子とはO₂(¹Δ_g)と示される電子状態の酸素分子のことであるが、励起酸素分子発生時にさらに高いエネルギー準位を有するO₂(¹Σ_g)も生成される。O₂(¹Δ_g)は一重項酸素（Singlet Oxygen）と呼ばれることもある。発生させた励起酸素分子にヨウ素分子を混合させることで、ヨウ素分子が原子に解離する。さらにO₂(¹Δ_g)のエネルギーが基底状態のヨウ素原子（I(²P_1/2)）に移乗して、励起状態のヨウ素原子（I(²P_3/2)）が生成される。このようにすることで、ＣＯＩＬがレーザ動作する。なお、化学励起ヨウ素レーザに関しては、非特許文献１〜４において概説されている。

【0003】

化学励起ヨウ素レーザ装置の多くはＣＷ動作を行う。化学励起ヨウ素レーザと同じ発振波長のヨウ素レーザでも、CF₃I、C₂F₅I、n-C₃F₇I、あるいはi-C₃F₇I等のヨウ化アルキル（alkyl iodide）を用いるヨウ素レーザがある。これは1960年代から広く研究されていた。これらのヨウ化アルキルに対して、キセノンを用いたフラッシュランプから発生するパルス状の紫外光を照射させる。こうすることで、ヨウ素原子が効率良く解離する。しかも、ヨウ素原子が励起状態になっているため、レーザ動作できる。これはフラッシュランプ励起ヨウ素レーザ、あるいは光解離ヨウ素レーザと呼ばれている。フラッシュランプ励起ヨウ素レーザは、大出力のパルスレーザを発生できる。このことから、慣性核融合を目的とした大型装置が研究開発されていた。これに関しては、例えば、非特許文献５において説明されている。

【0004】

ただし、フラッシュランプ励起ヨウ素レーザにおいて大出力化のために装置を大型化するには、大きなフラッシュランプが多数必要になる。さらに、大電流を出せる大型のパルス電源が必要になる。したがって、フラッシュランプ励起ヨウ素レーザでは、装置が複雑化、大型化することが問題になる。そこで、大型化が容易である化学励起ヨウ素レーザを利用したパルス型のヨウ素レーザも研究されていた。これに関しては、非特許文献６に示されている。さらにまた、より効率良くレーザ動作させるために、ハイブリッド方式も研究されていた。ハイブリッド方式では、励起酸素分子にヨウ化アルキルを混合するとともに、フラッシュランプが用いられている。これに関しては、非特許文献７、８、９、１０、１１に示されている。

【0005】

従来研究されていたパルス型ヨウ素レーザでは、慣性核融合を主な目的としていた。したがって、パルス幅としてはピコ秒オーダーから、長くても１０ナノ秒程度が対象であった。その場合、パルスエネルギーを高めるために、増幅器を用いる構成が用いられる。しかしながら、レーザ光が増幅器中を１回通過しても、効率良くエネルギーが取り出せない。このため、マルチパスと呼ばれる方式が検討されていた。マルチパス方式では、レーザ光が１台の増幅器内を何度も往復する。なお、ヨウ素レーザ増幅器のマルチパス増幅に関しては、非特許文献１２、１３、１４において説明されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】Stephen C. Hurlick, et al., “COIL technology development at Boeing,” Proceedings of SPIE Vol. 4631, 101-115 (2002).

【非特許文献2】Masamori Endo, “History of COIL development in Japan: 1982-2002,” Proceedings of SPIE Vol. 4631, 116-127 (2002).

【非特許文献3】Edward A. Duff and Keith A. Truesdell, “Chemical oxygen iodine laser (COIL) technology and development,” Proceedings of SPIE Vol. 5414, 52-68 (2004).

【非特許文献4】Jarmila Kodymova, “COIL--Chemical Oxygen Iodine Laser: advances in development and applications,” Proceedings of SPIE Vol. 5958, 595818 (2005).

【非特許文献5】Klaus J. Witte, Ernst Fill, Gunter Brederlow, Horst Baumhacker, and R. Volk, “Advanced Iodine Laser Concepts,” IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-17, 1809-1816 (1981).

【非特許文献6】M. Endo, K. Shiroki, and T. Uchiyama, “Chemically pumped atomic iodine pulse laser,” Appl. Phys. Lett. Vol. 59, 891-892 (1991).

【非特許文献7】N. G. Basov, N.P. Vagin, P. G. Kryukov, D. Kh. Nurligareev, V. S. Pazyuki, and N. N. Yuryshev, “Molecules of CH3I and n-C3F7I as iodine atom donors in a pulsed chemical oxygen-iodine laser,” Soviet Journal of Quantum Electronics, Vol. 14, 1275-1276 (1984).

【非特許文献8】N. N. Yuryshev, “Pulsed COIL review,” Proceedings of SPIE Vol. 1980, 181-185 (1992).

【非特許文献9】Nikolai N. Yuryshev, Nikolai P. Vagin, “Pulsed Mode of COIL,” Proceedings of SPIE Vol. 4760, 515-525 (2002).

【非特許文献10】Kenji Suzuki, Kozo Minoshima, Daichi Sugimoto, Kazuyoku Tei, Masamori Endo, Taro Uchiyama, Kenzo Nanri, Shuzaburo Takeda, and Tomoo Fujioka, “High pressure pulsed COIL assisted with an instantaneous production of atomic iodine,” Proceedings of SPIE Vol. 4184, 124-127 (2001).

【非特許文献11】Masamori Endo, Kozo Minoshima, Koichi Murata, Oleg Vyskubenko, Kenzo Nanri, Shuzaburo Takeda, and Tomoo Fujioka, “High pressure pulsed COIL assisted with an instantaneous production of atomic iodine II,” Proc. SPIE 5120, 397-404 (2003).

【非特許文献12】Zhuang Qi, Feng Hao, Wang Chengdong, Sha Guohe, Zhang Cunhao, “Model for amplifier of pulsed chemical oxygen-iodine laser,” Proceedings of SPIE Vol. 1980, 198-201 (1992).

【非特許文献13】Zhuang Qi, Feng Hao, Wang Chengdong, Sha Guohe, Zhang Cunhao, “Model for amplifier of pulsed chemical oxygen-iodine laser,” Proceedings of SPIE Vol. 1810, 501-504 (1992).

【非特許文献14】M. Endo, K. Kodama, Y. Handa, and T. Uchiyama, “Theoretical study of a large scale chemically pumped pulsed iodine laser amplifier,” Proceedings of SPIE Vol. 1810, 532-535 (1992).

【非特許文献15】V. N. Azyazov, S. Yu. Pichugin, M. C. Heaven, “A simplified kinetics model for the COIL active medium,” Proceedings of SPIE Vol.7915, 791505 (2011).

【非特許文献16】David L. carroll, “Chemical Laser Modeling with Genetic Algorithms,” AIAA Journal, Vol. 34, 338-346 (1996).

【非特許文献17】K. Takehisa, N. Shimizu, and T. Uchiyama, “Singlet oxygen generator using a porous pipe,” Journal of Applied Physics, Vol. 61, 68-73 (1987).

【非特許文献18】Wolfgang O. Schall, I. Plock, K. Grunewald, J. Handke, “Fluid Mechanic Aspects for Rotating Disk Generators,” Proceedings of SPIE Vol.3574, 265-272 (1998).

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ところが前述した従来のパルス型ヨウ素レーザでは、パルス幅が非常に短くなる。その結果、ピークパワーが高くなるため、大気中で空気プラズマが発生してしまう。プラズマはレーザ光を強く吸収する。プラズマが発生すると、レーザ光はそれ以上伝搬できなくなる。従って、従来のパルス型ヨウ素レーザでは、大気中での長距離伝搬は困難であった。

【0008】

本件出願の発明者によって、大気中で大出力のパルスレーザ光を長距離伝送させるには、１０マイクロ秒程度以上の長いパルスが好ましいことが分かった。この点について、以下に説明する。例えば１０〜３０ｋｍ先のターゲットにレーザ光を集光する場合、ビーム品質が良くても、ターゲットでは１０ｃｍ^２程度の集光サイズになってしまう。一方、厚み２ｍｍ程度のアルミ板に面積１０ｃｍ^２の穴加工を施すには、約７０ｋＪが必要になる。なお、７０ｋＪは、体積分のアルミ板を蒸発させるエネルギーに相当する。一方、レーザ光のピークパワー密度を、約１ＭＷ／ｃｍ^２以下に抑える必要がある。１ＭＷ／ｃｍ^２は、空気プラズマが生成すると言われているエネルギー密度である。よって、レーザ光のパルス幅を７マイクロ秒以上にする必要がある。

【0009】

このようなマイクロ秒オーダーの長いパルスを対象としたヨウ素レーザ増幅器に関しては従来検討されていなかった。その理由としては、パルス動作の大出力ヨウ素レーザの研究対象はおもに核融合であったため、長くても１０ナノ秒までの短パルス幅のレーザ光が想定されていたからである。従って、マイクロ秒オーダーのロングパルスを対象とした高効率な増幅器の構造については不明であった。さらには、従来の増幅器のようにマルチパスがロングパルスに対して有効であるか等も不明であった。しかも化学励起ヨウ素レーザの場合は、パルス動作に関する検討自体がほとんど行われていなかった。なお、非特許文献６にはパルス動作の化学励起ヨウ素レーザが示されているが、これは発振器であり、増幅器に関する検討は従来行われていなかった。

【0010】

本発明の目的は、高効率のパルス型ヨウ素レーザ装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本実施形態にかかるパルス型ヨウ素レーザ装置は、フラッシュランプ励起ヨウ素レーザであり、１マイクロ秒以上のパルス幅を有するレーザ光を発生させる発振器と、励起酸素発生器を有する化学励起ヨウ素レーザを１段以上有し、前記発振器からのレーザ光を増幅する増幅器と、を備えたものである。

【0012】

上記のパルス型ヨウ素レーザ装置において、前記増幅器が、塩素ガスを含むガス容器とヨウ素分子を含むガス容器を備え、前記フラッシュランプ励起ヨウ素レーザの発光タイミング、前記塩素ガスを前記励起酸素発生器に供給するタイミング、及び前記ヨウ素分子を前記増幅器のチャンバ内に供給するタイミングを制御する制御装置が設けられていてもよい。

【0013】

上記のパルス型ヨウ素レーザ装置において、前記ヨウ素分子を前記増幅器の前記チャンバ内に供給するタイミングを、前記塩素ガスを前記励起酸素発生器に供給するタイミングより遅らせるようにしてもよい。

【0014】

上記のパルス型ヨウ素レーザ装置において、前記増幅器内に満たされる励起酸素分子から発生する自然放出光の光強度に基づいて、前記ヨウ素分子を前記増幅器の前記チャンバ内に供給するタイミングを制御するようにしてもよい。

【0015】

上記のパルス型ヨウ素レーザ装置において、前記増幅器内に満たされる酸素分子の圧力に基づいて、前記ヨウ素分子を前記増幅器の前記チャンバ内に供給するタイミングを制御するようにしてもよい。

【0016】

上記のパルス型ヨウ素レーザ装置において、前記増幅器内に入射させるレーザ光におけるビーム断面積が、伝搬中に増加していくように前記増幅器のチャンバ内を伝搬させるようにしてもよい。

【0017】

本実施形態にかかるパルス型ヨウ素レーザ装置は、励起酸素発生器を有する化学励起ヨウ素レーザを有する発振器と、励起酸素発生器を有する化学励起ヨウ素レーザを１段以上有し、前記発振器からのレーザ光を増幅する増幅器と、発振器にヨウ素分子を注入するタイミングと、増幅器にヨウ素分子を注入するタイミングとを制御する制御装置を備えたものである。

【発明の効果】

【0018】

本発明によると、高効率なパルス型ヨウ素レーザ装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】遅延時間１に対する増幅光のエネルギー密度のシミュレーション結果を示す図である。

【図2】遅延時間２に対する増幅効率のシミュレーション結果を示す図である。

【図3】励起酸素残存率の時間変化のシミュレーション結果を示す図である。

【図4】入射光のエネルギー密度に対する利得のシミュレーション結果を示す図である。

【図5】実施形態１に係るパルス型ヨウ素レーザ装置１００の構成図である。

【図6】パルス型ヨウ素レーザ装置１００の化学励起ヨウ素レーザ増幅器２０の構成を示す図である。

【図7】増幅器の構成を模式的に示す図である。

【図8】増幅器の構成を模式的に示す図である。

【図9】増幅器の構成を模式的に示す図である。

【図10】入射光のエネルギーに対する増幅エネルギーのシミュレーション結果を示す図である。

【図11】化学励起ヨウ素レーザ増幅器２００の構成図である。

【図12】実施の形態２にかかるパルス型ヨウ素レーザ装置３００の構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

上記の目的を達成するために、先ずは、非特許文献６に示されたようなパルス型の化学励起ヨウ素レーザを増幅器として用いた装置を対象としたシミュレーションを行った。シミュレーションでは、非特許文献１５に記載された反応式を用いて、レート方程式を数値解析した。その反応式はヨウ素分子の解離を考慮したもので、実験を良く近似できることが示されている。また、ゲインの計算、及び各種ガスの圧力広がりの値は、前記非特許文献１６に示された式や値を用いた。また、シミュレーションでは増幅器の光軸方向に空間分割する１次元モデルを対象とした。

【0021】

シミュレーション条件を以下に示す。
塩素ガス注入流量：１００ｍｏｌ／ｓ／ｍ^３
ヨウ素分子注入流量：１０ｍｏｌ／ｓ／ｍ^３
ヘリウムガス注入流量：１００ｍｏｌ／ｓ／ｍ^３
入射パルス波形：サインカーブ（プラス側半周期）
パルス全幅：１００μｓ
入射光強度：１．０Ｊ／ｃｍ^２
増幅長：１０ｍ
時間刻み：１０ｐｓ
空間刻み：１０ｃｍ

【0022】

増幅器中にヨウ素分子を注入するために一緒に注入するバッファガスにはヘリウムガスを用いると想定した。注入する流量は、ヨウ素分子の流量の１０倍とした。増幅器における増幅長は１０ｍとした。以上の条件で、一例として１００マイクロ秒のパルス幅のレーザ光を増幅器に入射させて増幅特性を計算した。その結果、レーザ光がほとんど増幅されない計算結果が得られた。

【0023】

そこで、シミュレーションコードを改造して、シミュレーションを行った。具体的には、増幅器中に注入する励起酸素分子の注入開始時刻から少し遅れてヨウ素分子を注入する場合についてシミュレーションを行った。この遅延時間（遅延時間１とする。）を０から少しずつ増やしていき、シミュレーションを行った。それぞれの遅延時間において、さらにヨウ素分子の注入開始時刻から、少し遅らして入射光が入射するように設定してみた。ここでヨウ素分子の注入開始時刻に対する入射光の入射時刻の遅延時間を遅延時間２とする。これら遅延時間１、及び遅延時間２を様々に変化させて、増幅されるエネルギー（つまり増幅器から出射するレーザ光のエネルギーから、増幅器に入射させるレーザ光のエネルギーを差し引いた値）をシミュレーションで算出してみた。結果を図１に示す。ただし単位面積当たりの増幅エネルギー（すなわち厳密には増幅エネルギー密度）を図１に示したが、以下、単に増幅エネルギーと呼ぶ。これによると、遅延時間１は１５ミリ秒程度、及び遅延時間２（図中にＴ２と示した時間）は０．３ミリ秒程度とすると高い増幅エネルギーが得られることが判った。なお、励起酸素分子とヨウ素分子を同時に注入する（つまり遅延時間１が０秒）とすると、図１から明らかなように、レーザ光はほとんど増幅されないことが判る。

【0024】

一方、従来のフラッシュランプ型ヨウ素レーザ増幅器では、マルチパスを行わないとエネルギーを効率良く取り出せないとされている。本シミュレーションによって、これを調べるために、入射レーザ光のパルス幅をパラメータとして増幅特性をシミュレーションした。条件としては遅延時間１を１５ｍｓと一定として、遅延時間２を変えて増幅効率を算出した。図２に示したシミュレーション結果から判るように、パルス幅が短くなると、増幅効率が低下していく。このため、１パスでレーザ光を効率良く取り出すには、１マイクロ秒より長いパルス幅が必要であることが判った。本発明では１００マイクロ秒程度のロングパルスを対象としている。このため、従来の増幅器のようなマルチパスを構成する必要がないことが確認された。

【0025】

なお増幅効率とは、式（１）に示された式で定義されたηの値である。

【数1】

【0026】

具体的には、増幅効率ηは増幅器内に供給される励起酸素分子の全エネルギーに対して、出射するレーザ光における増幅されたエネルギーの割合である。なお、式（１）中のＬは増幅器の長さ（単位はm）、定数Ｋの値は、３７．８（単位はJ/m³）である。また式（１）中の０．８０とは、酸素分子全体における初期の励起酸素分子の割合を８０％としたからである。

【0027】

遅延時間１を適当な値に設ける必要がある理由を調べるため、シミュレーションを行った。具体的には、レーザ光を入射させずに、増幅器内に満たされる励起酸素分子の残存率（すなわち励起酸素分子の分圧に対する全酸素分子の分圧の割合）を計算した。この結果を図３に示す。なお、遅延時間１をパラメータとして３通りに変えて計算した。計算結果から明らかなように、ヨウ素分子が注入されると、励起酸素分子の残存率が急に低下していくことが示された。つまりヨウ素分子が注入されると、励起酸素分子のエネルギーがヨウ素分子の解離に使われることから、励起酸素分子が急激に失われると考えられる。

【0028】

なお、ヨウ素分子は解離すると、励起状のヨウ素原子が生成されることになる。励起状のヨウ素原子は寿命が短いことから、直ぐに失活してしまう。すなわち、効率良く増幅させるには、励起ヨウ素原子がある程度蓄積した直後に、レーザ光を入射させる必要がある。一方、励起ヨウ素原子の密度は、励起酸素分子の圧力が高い方が高い。このことから、増幅効率を高めるには、励起酸素分子を高い圧力になるまで蓄積しておく方が良い。したがって、励起酸素分子の分圧がある程度高くなってから、ヨウ素分子を注入する方が、増幅エネルギーを高くできると考えられる。

【0029】

ただし遅延時間１を長くすればするだけ増幅エネルギーが増えるということではない。遅延時間１が長くなっていくと、励起酸素分子の分圧が高くなる。このため、励起酸素分子同士、あるいは他の分子との衝突によってエネルギーを失う衝突失活の確率が増えていくからである。すなわち、遅延時間１には限度があり、増幅エネルギーを最大にするには最適な時間が存在する。そこで、増幅器内に蓄積される励起酸素分子の密度をモニタし、ほぼ密度が最大値に近くなった瞬間でヨウ素分子を注入し始めれば良い。

【0030】

具体的には、増幅器のチャンバに小さな窓を設けて、そこにフォトダイオード（以下、ＰＤと示す。）等の受光器を配置する。そして、増幅器内の励起酸素分子から発生する波長約１．２７μｍの自然放出光の光強度（ＰＤによる受光信号）をモニタすれば良い。自然放出光の光強度の増加率が、ある一定値より下がった瞬間にヨウ素分子の注入開始とすれば良い。

【0031】

あるいはまた、増幅器のチャンバに圧力計を設けて、内部に蓄積される全酸素分子の圧力をモニタしてもよい。この場合、全酸素分子の圧力がある一定値になった瞬間にヨウ素分子の注入開始とする。モニタされる圧力は励起酸素分子だけではなく、全酸素分子となる。しかしながら、励起酸素分子の存在割合が、他の実験等から既に既知であるならば、全酸素分子の圧力が判れば、励起酸素分子の分圧もほぼ推定できる。

【0032】

一方、増幅器に入射光を入射させるタイミングである遅延時間２を設けている。つまり遅延時間を０秒より長くしている。こうすることは、増幅器中にヨウ素分子がある程度蓄積させておくために必要である。従って、最適な遅延時間２は、ヨウ素分子を注入する速度であるフローレートに依存するが、少なくとも０秒より長い時間とすべきである。ただし、ヨウ素分子を１０ｍｏｌ／ｓ／ｍ^３で注入する場合は、遅延時間２は０．１〜０．５ミリ秒が好ましい。これは、後述するシミュレーション結果から明らかになった値である。なお、遅延時間２はフローレートに反比例する。このことから、ヨウ素分子のフローレートをＭ（ｍｏｌ／ｓ／ｍ^３）とすると、遅延時間２は、１／Ｍ〜５／Ｍ（単位はミリ秒）の間が好ましいことになる。なお、本発明で言及する遅延時間１、及び遅延時間２とは、各気体が増幅器のチャンバ内に入る瞬間の時刻を基準にした時間遅れのことであり、遅延時間を制御する制御装置自体や信号ケーブルに起因する遅延時間等を除いたものである。

【0033】

以上に説明したように、シミュレーション結果から、以下のことが判明した。１マイクロ秒より長いロングパルスを効率良く増幅させる場合は、マルチパスは不要である。励起酸素分子の注入開始時刻を基準とした場合に、ヨウ素分子の注入開始時刻、及び発振器からのレーザ光を増幅器内に入射させる時刻の２つの遅延時間を適切に設ける必要がある。しかしそれには、発振器におけるレーザ発振のタイミングを正確に制御する必要がある。

【0034】

そこで本発明では、発振器にはフラッシュランプ励起のヨウ素レーザを用いている。レーザ発振のタイミングはフラッシュランプの発光タイミングから一定時間遅れたものである。そして、フラッシュランプを発光させるタイミングは、フラッシュランプを駆動させる電源回路のトリガーによって正確に制御できる。なお、非特許文献６では、励起酸素分子を瞬間的に発生させる方式によるパルス型化学励起ヨウ素レーザを開示している。しかしながら、フラッシュランプ励起のヨウ素レーザを用いることで、より正確に発振タイミングを制御することができる。

【0035】

以上のように、本実施形態のパルス型ヨウ素レーザ装置では、発振器にフラッシュランプ励起のヨウ素レーザを用いている。したがって、励起酸素分子を利用する化学励起ヨウ素レーザに基づく増幅器とは異なる原理で励起状ヨウ素原子を生成することになる。しかし、どちらも励起状ヨウ素原子から放出される波長１．３１５μｍのレーザ光を発振、あるいは増幅させている。つまり波長が同じであることから、発振器において発振波長をチューニングする必要がないことも本発明の特徴である。これに対して、もしも発振器に近赤外域でレーザ動作する波長可変固体レーザを用いたとすれば、発振波長を１．３１５μｍに正確に合わせるために、波長選択素子や波長安定化素子等が必要になってしまう。

【0036】

以上に説明したような最適なタイミングを選んだ場合のシミュレーション結果を図４に示す。図４に示すように、最適なタイミングを選んだとしても、増幅器の増幅効率を高くすることはできない。具体的には、増幅器の増幅効率は、最高３０％程度であることがシミュレーションから明らかになった。また、利得と増幅効率とは相反してしまう。このため、高い増幅効率を得るには、利得が小さくなってしまうことから、入射光に大きなエネルギーが必要になってしまう。ところが、大きなエネルギーをパルス型ヨウ素レーザ発振器だけで得ることが難しい。このため、多段階の増幅器が必要になってしまう。

【0037】

そこで、多段増幅器を適用せず、１段で大きな利得と増幅効率を両立させるために、本実施形態では、ビーム断面形状を整形することが望ましい。具体的には、増幅器内で伝搬される入射レーザ光において、そのビーム断面積が次第に大きくなるように、ビーム整形させている。そして、ビームを整形してから、入射レーザ光を増幅器中に入射させている。これによると、増幅器内に入射する直後のビーム断面積を小さくできる。このため、エネルギーが小さくても、光強度を高くでき、効率良くレーザ光を増幅することができる。

【0038】

このように増幅器中で入射光のビーム断面積を増大させる手法は、色素レーザや固体レーザにおける小型の光励起レーザでは容易に適用できる技術である。しかしながら、ビーム断面積が１ｍ^２にも相当する巨大なガスレーザに関しては、この手法は、化学励起ヨウ素レーザ以外では困難である。この理由について以下に説明する。

【0039】

巨大な体積の増幅器が利用される大出力のガスレーザとしては、炭酸ガスレーザやエキシマレーザなどが知られている。これらのレーザは放電励起方式である。よって、レーザ媒質中で均一な放電を行うには、増幅媒質の太さが一定である必要がある。これに対して、化学励起ヨウ素レーザでは、励起媒質である励起酸素分子とヨウ素分子とを増幅器中に満たせば良い。よって、増幅器の形状にはほとんど関係なく、構成することができる。従って、増幅器の形状として、光軸に沿って次第に太くすることも容易である。したがって、ビーム断面積が次第に大きくなるように整形された入射光と増幅媒質とを、空間的に良好にマッチングさせることができる。

【0040】

添付の図面を参照して実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

【0041】

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１を図５に基づいて説明する。図５は本発明のパルス型ヨウ素レーザ装置１００の基本構成を示した構成図である。パルス型ヨウ素レーザ装置１００は、フラッシュランプ励起ヨウ素レーザ発振器１０と化学励起ヨウ素レーザ増幅器２０とで構成された発振・増幅器（ＭＯＰＡと呼ばれることがある。ＭＯＰＡはMaster Oscillator and Power Amplifierの頭文字である。）である。フラッシュランプ励起ヨウ素レーザ発振器１０が発振段となる。化学励起ヨウ素レーザ増幅器２０が増幅段となる。

【0042】

フラッシュランプ励起ヨウ素レーザ発振器１０から取り出されるレーザ光Ｌ０は、２枚の凸レンズ１８ａ、１８ｂを通過する。これにより、レーザ光Ｌ０のビーム径が拡大され、レーザ光Ｌ１となる。レーザ光Ｌ１は、化学励起ヨウ素レーザ増幅器２０の増幅器チャンバ１０１内に入射する。化学励起ヨウ素レーザ増幅器２０はレーザ光Ｌ１を増幅する。そして、増幅器チャンバ１０１内で増幅されたレーザ光Ｌ１は、レーザ光Ｌ２として化学励起ヨウ素レーザ増幅器２０から取り出される。

【0043】

フラッシュランプ励起ヨウ素レーザ発振器１０では、レーザ管１１内にヨウ素化合物であるn-C₃F₇Iの蒸気が満たされている。レーザ管１１は、石英ガラスから成る透明材料によって形成されている。レーザ管１１は全反射鏡１２と出力鏡１３を備えている。レーザ管１１の近傍には２本のキセノンフラッシュランプ１４ａ、１４ｂが配置されている。キセノンフラッシュランプ１４ａは駆動電源１６と電力線１５ａ１、１５ａ２を介して接続されている。キセノンフラッシュランプ１４ｂは駆動電源１６と電力線１５ｂ１、１５ｂ２を介して接続されている。

【0044】

駆動電源１６にトリガー信号Ｓ４が入ると、これらの電力線１５ａ１、１５ａ２、１５ｂ１、１５ｂ２にパルス状の大電流が流れる。これにより、キセノンフラッシュランプ１４ａ、１４ｂが発光する。このトリガー信号Ｓ４は、制御装置１０８から供給される。制御装置１０８は、フラッシュランプ励起ヨウ素レーザ発振器１０と化学励起ヨウ素レーザ増幅器２０の両方を制御する。

【0045】

化学励起ヨウ素レーザ増幅器２０は、増幅器チャンバ１０１と励起酸素発生器１０２と高圧塩素タンク１０４と、ヨウ素供給タンク１０６と、を備えている（図６も合わせて参照）。増幅器チャンバ１０１は、増幅媒質で満たされている。図６に示すように、励起酸素発生器１０２は、増幅器チャンバ１０１の底部に配置されている。高圧塩素タンク１０４は、励起酸素発生器１０２に対して塩素ガスを供給する。具体的には、高圧塩素タンク１０４と、励起酸素発生器１０２は、複数の供給管１０５で繋がれている。また、多数の供給管１０５にはそれぞれ、電磁バルブが設けられている。供給管１０５に設けられた複数の電磁バルブ全体をバルブＶ２とする。バルブＶ２は、制御装置１０８からの開閉信号Ｓ２によって開閉動作する。

【0046】

また、増幅器チャンバ１０１は、複数の供給管１０７を介して、ヨウ素供給タンク１０６と繋がれている。ヨウ素供給タンク１０６は、多数の供給管１０７を介して、増幅器チャンバ１０１にヨウ素分子を注入する。さられに、多数の供給管１０７のそれぞれには、電磁バルブが付けられている。供給管１０７に設けられた複数の電磁バルブ全体をバルブＶ３とする。バルブＶ３は、制御装置１０８からの開閉信号Ｓ３によって開閉動作する。

【0047】

化学励起ヨウ素レーザ増幅器２０には、増幅動作を行う前に予め真空排気しておくための排気管１０３が設けられている。排気管１０３は図示していない真空ポンプに繋がれている。排気管１０３には、バルブＶ１が設けられている。バルブＶ１は、制御装置１０８からの開閉信号Ｓ１によって開閉動作する。レーザ動作させる前にバルブＶ１を開くことで、増幅器チャンバ１０１の内部は真空排気される。真空排気が終わるとバルブＶ１は閉じられる。次にバルブＶ２が開き、高圧塩素タンク１０４から塩素ガスが励起酸素発生器１０２内に注入される。これにより、励起酸素発生器１０２内で、励起酸素分子が発生し、増幅器チャンバ１０１内に蓄積されていく。

【0048】

一方、増幅器チャンバ１０１の側面の一部には小型の石英窓１０９が取り付けられている。石英窓１０９の外側近傍には、ＰＤ（フォトダイオード）１１０が配置されている。ＰＤ１１０は、増幅器チャンバ１０１内の励起酸素分子から発生する波長１．２７μｍの自然放出光の発光強度をモニタする。ＰＤ１１０は、発光強度に応じたモニタ信号Ｓ５を制御装置１０８に出力する。制御装置１０８は、バルブＶ１〜Ｖ３の開閉タイミングを制御するための開閉信号Ｓ１〜Ｓ３を出力する。制御装置１０８は、駆動電源１６の駆動タイミングを制御するためのトリガー信号Ｓ４を出力する。

【0049】

ＰＤ１１０で受光されるモニタ信号Ｓ５の強度は、最初は直線的に増加していく。そして、次第に増加率が下がっていき、飽和するようになっていく。その理由を以下に示す。増幅器チャンバ１０１内に満たされる励起酸素分子の圧力が高くなり過ぎると、励起酸素分子同士による衝突失活の速度が増す。このため、蓄積できる励起酸素分子には限界がある。

【0050】

そこで、本実施形態では、ＰＤ１１０で受光されるモニタ信号Ｓ５の強度の時間変化率を算出する。そして、時間変化率がある一定値以下になった瞬間に、ヨウ素分子を注入させる。すなわち、時間変化率が閾値以下となると、制御装置１０８がバルブＶ３を開く開閉信号Ｓ３を発生させる。すなわち、制御装置１０８は、モニタ信号Ｓ５に応じて、バルブＶ３を制御している。

【0051】

以上のように、本実施形態では、ＰＤ１１０が、増幅器チャンバ１０１内に蓄積される励起酸素分子の自然放出光の発光強度をモニタしている。そして、バルブＶ３を開く開閉信号Ｓ３を発生させるタイミングを、制御装置１０８が自然放出光の発光強度に基づいて制御している。あるいは、バルブＶ３を開く開閉信号Ｓ３を発生させるタイミングは、増幅器チャンバ１０１の圧力に基づいていてもよい。

【0052】

圧力に応じてバルブＶ１の開閉を制御するための構成について説明する。圧力計１１１が増幅器チャンバ１０１に取り付けられている。圧力計１１１は、増幅器チャンバ１０１内に蓄積される全酸素分子の圧力をモニタする。そして、圧力計１１１は、圧力に応じたモニタ信号Ｓ６を制御装置１０８に出力する。制御装置１０８は、モニタ信号Ｓ６に応じて、開閉信号Ｓ３を発生させる。具体的には、制御装置１０８は、圧力がある一定値になった瞬間にバルブＶ３を開くように制御する。

【0053】

化学励起ヨウ素レーザ増幅器２０に関して、図６を用いて補足説明する。図６は化学励起ヨウ素レーザ増幅器２０における光軸に垂直な断面を示した断面構造図である。化学励起ヨウ素レーザ増幅器２０は増幅器チャンバ１０１を有している。増幅器チャンバ１０１の下には、励起酸素発生器１０２が配置されている。励起酸素発生器１０２と高圧塩素タンク１０４との間は供給管１０５によって接続されている。供給管１０５のバルブＶ２を開く、高圧塩素タンク１０４から塩素ガスが励起酸素発生器１０２内に供給される。これにより、化学励起ヨウ素レーザ増幅器２０をレーザ動作させることができる。

【0054】

増幅器チャンバ１０１と、ヨウ素供給タンク１０６とは、供給管１０７を介して接続されている。ヨウ素供給タンク１０６には、ヨウ素分子とバッファガスであるヘリウムガスが満たされている。供給管１０７のバルブＶ３を開くことで、ヨウ素供給タンク１０６からヨウ素分子とヘリウムガスが増幅器チャンバ１０１内に供給される。バルブＶ２、Ｖ３が開いた直後に増幅器チャンバ１０１にレーザ光Ｌ１が入射する。なお、励起酸素発生器１０２としては、非特許文献１７に示されたようなポーラスパイプを用いたものを利用することができる。あるいは、非特許文献１８に示されたような回転円板型を励起酸素発生器１０２として利用しても良い。

【0055】

レーザ光Ｌ１のパルス全幅は１００マイクロ秒となっている。レーザ光Ｌ１のパルスがパルス型ヨウ素レーザ増幅器２０に入射するタイミングの前に、バルブＶ２が開く。具体的には、パルスの入射タイミングの１５．３ミリ秒前に、制御装置１０８からの開閉信号Ｓ２によって、バルブＶ２が開く。これにより、高圧塩素タンク１０４内の塩素ガスが供給管１０５を通って、励起酸素発生器１０２に供給される。そして、励起酸素発生器１０２内で、励起酸素分子（O₂(¹Δ_g)）が発生し、増幅器チャンバ１０１内に満たされる。なお、励起酸素発生器１０２における励起酸素分子の発生効率は８０％になっている。

【0056】

一方、バルブＶ２が開く瞬間の後、制御装置１０８から開閉信号Ｓ３が発生して、バルブＶ３が開く。具体的には、バルブＶ２が開くタイミングから１５．０ミリ秒遅れて、バルブＶ３が開かれる。つまり遅延時間１は１５．０ミリ秒である。その瞬間にヨウ素供給タンク１０６からヨウ素分子とヘリウムガスが供給管１０７を通って、増幅器チャンバ１０１内に供給される。ヨウ素分子とヘリウムガスは、増幅器チャンバ１０１内に満たされ、励起酸素分子と混合される。また、レーザ光Ｌ１は、増幅器チャンバ１０１内にヨウ素分子が注入され始めた後に、増幅器チャンバ１０１内を伝搬することになる。具体的には、ヨウ素分子の注入され始める瞬間から０．３ミリ秒後に、レーザ光Ｌ１が増幅器チャンバ１０１内を伝搬する。つまり遅延時間２（Ｔ２）は０．３ミリ秒である。その結果、図２に示されたグラフから判るように、レーザ光Ｌ１は効率良く増幅される。

【0057】

次に、本発明のヨウ素レーザ装置を構成する化学励起ヨウ素レーザ増幅器２０において、装置が複雑になる多段増幅器を構成せず、１段で大きな利得と高い増幅効率の両方が得られる構成について、図７〜図９を用いて説明する。図７〜図９は、増幅媒質の形状を示す斜視図である。

【0058】

本実施形態では、増幅器内で伝搬される入射レーザ光Ｌ１において、そのビーム断面積が次第に大きくなるようにしている。図７は比較のために、一般的な増幅器も示してある。つまり平行なビームを入射させる場合で、増幅媒質は直方体の形状とした（Ｔｙｐｅ−０）。図８は、Ｔｙｐｅ−Ｉという形状を示している。図９は、Ｔｙｐｅ−ＩＩという形状を示している。Ｔｙｐｅ−Ｉでは増幅器中に入射する入射光のビーム断面積を１次元方向（幅方向のみ）に広がるような増幅器を想定している。Ｔｙｐｅ−ＩＩでは、２次元（幅と高さの２方向）に広がる場合を想定している。以上の３通りに関して、増幅特性をシミュレーションで調べてみた。

【0059】

これら３通りにおける共通条件として、増幅器の出射端の面積を１ｍ^２、増幅器の体積を１０ｍ^３としている。そして、入射光のエネルギーを変えた場合の増幅エネルギーを算出した。また、Ｔｙｐｅ−Ｉ、Ｔｙｐｅ−ＩＩでは、増幅器の出射端でのビーム断面積（Ｓout）と入射端でのビーム断面積（Ｓin）の比率をパラメータとした。図１０にシミュレーション結果を示す。図１０から明らかなように、Ｔｙｐｅ−ＩもＴｙｐｅ−ＩＩも、入射光のエネルギーに依らずに、Ｔｙｐｅ−０よりも増幅エネルギーが大幅に増加する。また、Ｔｙｐｅ−ＩＩはＴｙｐｅ−Ｉよりも高い増幅エネルギーが得られることも判明した。

【0060】

ただし、Ｔｙｐｅ−ＩやＴｙｐｅ−ＩＩの形状の場合、Ｔｙｐｅ−０の場合に比べて、同じ増幅体積を得るためには、増幅器の長さを長くする必要がある。そこで、増幅器の長さを短くできる増幅器構造の一例について図１１を用いて説明する。図１１は、化学励起ヨウ素レーザ増幅器２００の構成図である。なお、図１１は、化学励起ヨウ素レーザ増幅器２００を上から見た断面構成図である。

【0061】

化学励起ヨウ素レーザ増幅器２００では、増幅器チャンバ２０１にレーザ光Ｌ２１が入射する。レーザ光Ｌ２１は、最初に凸レンズ２１０を通って一度集光される。そして、凸レンズ２１０で集光されたレーザ光Ｌ２１は、エッジミラー２１１で反射する。エッジミラー２１１で反射したレーザ光Ｌ２１は増幅器チャンバ２０１内にウインド２１２ａから入射する。ウインド２１２ａとしては、両面反射防止膜付きの石英板が用いられる。石英板は、光軸に対して垂直に配置されている。あるいはレーザ光Ｌ２１が直線偏光の場合は、ウインド２１２ａとしてブリュースターウインドを用いても良い。

【0062】

増幅器チャンバ２０１内に入射したレーザ光Ｌ２２は、次第にビーム断面積が増えていく。レーザ光２２は、ウインド２１２ｂを通って、一度、増幅器チャンバ２０１から出射する（これをレーザ光Ｌ２３とする）。レーザ光Ｌ２３は、折り返しミラー２１３ａ、及び２１３ｂによって１８０°反対方向に折り返されて、レーザ光Ｌ２４となる。レーザ光Ｌ２４は、ウインド２１２ｂから再び増幅器チャンバ２０１内に進む（これをレーザ光Ｌ２５とする）。レーザ光Ｌ２５はウインド２１２ａから外部に出射する（これをレーザ光Ｌ２６とする）。レーザ光Ｌ２６は、大型の凸レンズ２１４を通って平行ビームに整形され、レーザ光Ｌ２７となって取り出される。

【0063】

本実施形態では、２枚の折り返しミラー２１３ａ、２１３ｂを使ってビームを１８０°折り返す構成が特徴である。これは、一般的なマルチパスの場合とは異なる。つまりマルチパスの場合は、１枚のミラーにほぼ垂直入射させて１８０°折り返すようにするからである。これに対して本実施例では、２枚のミラーで１８０°折り返す理由としては、増幅器チャンバ２０１内で、レーザ光Ｌ２２とレーザ光Ｌ２５とが空間的に重ならないようにしている。

【0064】

この理由を以下に説明する。従来のナノ秒オーダーのヨウ素レーザ増幅器では、レーザ光が増幅器内を１パス通過するだけでは、通過した部分のレーザ媒質からエネルギーを効率良く取り出せない。したがって、レーザ光を、何度も往復させている。つまり往復させるビームが空間的に多少重なっても増幅効率はほとんど変わらない。これに対して、本実施形態のパルス型ヨウ素レーザ増幅器では、入射光がロングパルスである。このため、１パスだけで、増幅媒質のエネルギーを効率良く取り出すことができる。従って、増幅器中では往復ビームが重ならないようになっている。

【0065】

本実施形態によると、増幅器チャンバ２０１内の増幅媒質中でのデッドスペース（レーザ光が通過せずに、無駄になる体積）を小さくできる。しかも図８、図９に示した形状をそのまま用いた場合に比べて増幅器の長さを約半分にできる。このような化学励起ヨウ素レーザ増幅器２００を図１で示した化学励起ヨウ素レーザ増幅器２０の代わりに用いることも可能である。

【0066】

本実施の形態によれば、１マイクロ秒より長いパルス幅を対象とした高効率なパルス型ヨウ素レーザ装置を提供することができる。特に、大型のパルス電源が不要である化学励起ヨウ素レーザによる増幅器を用いて効率良く増幅できる装置を提供することができる。

【0067】

実施の形態２．
次に、実施の形態２にかかるパルス型ヨウ素レーザ装置について、図１２を用いて説明する。図１２は、実施の形態２にかかるパルス型ヨウ素レーザ装置３００の構成図である。パルス型ヨウ素レーザ装置３００は、化学励起ヨウ素レーザ発振器３１０と化学励起ヨウ素レーザ増幅器３２０とで構成されている発振・増幅器である。すなわち、本実施形態２では発振器にも化学励起ヨウ素レーザを用いている点が実施形態１の構成と異なる点である。従って、構造的には、化学励起ヨウ素レーザ発振器３１０も化学励起ヨウ素レーザ増幅器３２０も、前述したパルス型ヨウ素レーザ装置１００の化学励起ヨウ素レーザ増幅器２０とほぼ同様になっている。例えば、化学励起ヨウ素レーザ発振器３１０と化学励起ヨウ素レーザ増幅器３２０の断面構造は、図６と同様の構成になっている。

【0068】

化学励起ヨウ素レーザ発振器３１０では、発振器チャンバ３１１に対して励起酸素分子とヨウ素分子を供給している。発振器チャンバ３１１の両側には、出力鏡３１３と全反射鏡３１４と、が配置されている。出力鏡３１３と全反射鏡３１４とで共振器が構成されている。出力鏡３１３からレーザ光Ｌ３０が取り出される。レーザ光Ｌ３０は２枚の凸レンズ３１８、３１９から成るビーム拡大器を通過する。これにより、レーザ光Ｌ３０のビーム径が拡大されて、レーザ光Ｌ３１となる。レーザ光Ｌ３１は、化学励起ヨウ素レーザ増幅器３２０の増幅器チャンバ３２１内に入射する。増幅器チャンバ３２１で増幅されたレーザ光Ｌ３２が取り出される。

【0069】

化学励起ヨウ素レーザ発振器３１０の励起酸素発生器において励起酸素分子を発生させるために、化学励起ヨウ素レーザ増幅器２０と同様に、塩素ガスが供給される。具体的には、発振器チャンバ３１１の下に配置された励起酸素発生器（図１２では不図示）に対して、高圧塩素タンク３１５から塩素ガスが供給される。なお、高圧塩素タンク３１５と励起酸素発生器との間の供給管にはバルブＶ３５が配置されている。バルブＶ３３５が塩素ガスの供給を制御している。

【0070】

また、ヨウ素供給タンク３１６には、ヨウ素分子とバッファガスが溜められている。バッファガスには、上記と同様に、ヘリウムガスが用いられている。ヨウ素供給タンク３１６から発振器チャンバ３１１に対してヨウ素分子とバッファガスが供給される。ヨウ素分子とバッファガスを供給する供給管にはバルブＶ３６が設けられている。バルブＶ３６はヨウ素分子とバッファガスの供給を制御している。

【0071】

化学励起ヨウ素レーザ増幅器３２０は、増幅媒質で満たされる増幅器チャンバ３２１を備えている。増幅器チャンバ３２１の下には励起酸素発生器（図１２では不図示）が配置されている。高圧塩素タンク３２５には、励起酸素発生器に対して供給される塩素ガスが溜められている。高圧塩素タンク３２５は塩素ガスを励起酸素発生器に対して供給する。なお、高圧塩素タンク３２５と励起酸素発生器との間の供給管にはバルブＶ３３が配置されている。バルブＶ３３が塩素ガスの供給を制御している。なお、化学励起ヨウ素レーザ発振器３１０と化学励起ヨウ素レーザ増幅器３２０の励起酸素発生器は、図６で示した構成と基本的に同様であるため、詳細な説明を省略する。

【0072】

ヨウ素供給タンク３１６と同様に、ヨウ素供給タンク３２６には、ヨウ素分子とバッファガスが溜められている。ヨウ素供給タンク３２６から増幅器チャンバ３２１に対してヨウ素分子とバッファガスが供給される。ヨウ素分子とバッファガスとを供給する供給管にはバルブＶ３７が設けられている。バルブＶ３７はヨウ素分子とバッファガスの供給を制御している。

【0073】

発振器チャンバ３１１は、バルブＶ３２を介して真空ポンプ（不図示）に接続されている。増幅器チャンバ３２１は、バルブＶ３１を介して真空ポンプ（不図示）に接続されている。パルス型ヨウ素レーザ装置３００をレーザ動作させるには、予めバルブＶ３１、及びＶ３２を開いておく。こうすることで、それぞれ増幅器チャンバ３２１、発振器チャンバ３１１内が真空排気される。なお、バルブＶ３１、及びＶ３２は、制御装置３３０からの開閉信号Ｓ３１、Ｓ３２によって制御される。真空排気が終わったら、制御装置３３０が、バルブＶ３１、Ｖ３２を閉じる。

【0074】

次に化学励起ヨウ素レーザ増幅器３２０の増幅器チャンバ３２１内に励起酸素分子の供給を開始する。そのため、制御装置３３０からの開閉信号Ｓ３３によって、バルブＶ３３が開かれる。バルブＶ３３が開いた直後に、化学励起ヨウ素レーザ発振器３１０の発振器チャンバ３１１内に励起酸素分子の供給を開始する。このため、制御装置３３０からの開閉信号Ｓ３５によってバルブＶ３５が開かれる。

【0075】

増幅器チャンバ３２１には、圧力計３２３が取り付けられている。圧力計３２３は、増幅器チャンバ３２１内に注入される全酸素分子の圧力をモニタしている。圧力計３２３は、モニタ信号Ｓ３４を制御装置３３０に出力する。制御装置３３０は、圧力計３２３からのモニタ信号Ｓ３４に基づいて、化学励起ヨウ素レーザ発振器３１０のバルブＶ３６の開閉を制御する。具体的には、増幅器チャンバ３２１内に満たされる全酸素分子の圧力が一定の圧力に到達した瞬間に、制御装置３３０は、開閉信号Ｓ３６を出力する。この開閉信号Ｓ３６によって、バルブＶ３６が開く。このように、制御装置３３０は、酸素分子が一定圧力に到達したタイミングで、バルブＶ３６を開くように指令を出す。バルブＶ３６が開くと、化学励起ヨウ素レーザ発振器３１０の発振器チャンバ３１１内にヨウ素分子がバッファガスと共に供給される。ヨウ素分子がバッファガスの供給直後に、化学励起ヨウ素レーザ発振器３１０が発振するため、出力鏡３１３からレーザ光Ｌ３０が取り出される。

【0076】

また、制御装置３３０は、開閉信号Ｓ３６を出すのとほぼ同時に開閉信号Ｓ３７をバルブＶ３７に出力する。開閉信号Ｓ３７によってバルブＶ３７が開く。これにより、化学励起ヨウ素レーザ増幅器３２０の増幅器チャンバ３２１内にヨウ素分子がバッファガスと共に供給される。増幅器チャンバ３２１内では励起ヨウ素原子が生成するため、増幅作用を生じるようになる。励起ヨウ素原子の供給直後にレーザ光Ｌ３１が入射する。化学励起ヨウ素レーザ増幅器３２０はレーザ光Ｌ３１を増幅することができる。化学励起ヨウ素レーザ増幅器３２０で増幅されたレーザ光Ｌ３１は、レーザ光Ｌ３２となる。

【0077】

以上説明したように、本実施の形態のパルス型ヨウ素レーザ装置３００では、発振器にも化学励起ヨウ素レーザを用いた点に特徴がある。これを可能にしたのは、制御装置３３０が、開閉信号Ｓ３１〜Ｓ３３、Ｓ３５〜Ｓ３７を適切なタイミングで出力するからである。具体的には、制御装置３３０は、発振器と増幅器のそれぞれにおける励起酸素発生器で励起酸素分子を発生させるタイミング、及びそれぞれのチャンバ内に注入するヨウ素分子のタイミングを正確に制御している。本実施形態では、増幅器チャンバ３２１の全酸素分子の圧力に基づいて、バルブＶ３１〜Ｖ３３、Ｖ３５〜Ｖ３７を制御している。バルブＶ３１〜Ｖ３３、Ｖ３５〜Ｖ３７は例えば、電磁バルブである。

【0078】

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はその目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に、上記の実施形態よる限定は受けない。例えば、もしも増幅器を２段で構成する場合、第一段目の増幅器を発振器と同様、フラッシュランプ励起ヨウ素レーザとして、第二段目を化学励起ヨウ素レーザとしても良い。

【0079】

本発明によると、大出力のパルスレーザ光を長距離伝送できるため、遠方に配置されている金属ターゲットに穴加工を施すことができる。従って、遠方から飛来してくるミサイル等を破壊することができる。

【符号の説明】

【0080】

１０ フラッシュランプ励起ヨウ素レーザ発振器
１１ レーザ管
１２、３１４ 全反射鏡
１３、３１４ 出力鏡
１４ａ、１４ｂ キセノンフラッシュランプ
１５ａ１、１５ａ２、１５ｂ１、１５ｂ２ 電力線
１６ 駆動電源
２０、３２０ 化学励起ヨウ素レーザ増幅器
１０１ 増幅器チャンバ
１０２ 励起酸素発生器
１０３、３１２ａ、３２２ａ 排気管
１０４、３１５、３２５ 高圧塩素タンク
１０５ 供給管
１０６、３１６、３２６ ヨウ素供給タンク
１０７ 供給管
１０８、３３０ 制御装置
１０９ 石英窓
１１０ ＰＤ
１１１、３２３ 圧力計
２０１ 増幅器チャンバ
２１０、３１８、３１９ 凸レンズ
２１１ エッジミラー
２１２ａ、２１２ｂ ウインド
２１３ａ、２１３ｂ 折り返しミラー
２１４ 凸レンズ
３１０ 化学励起ヨウ素レーザ発振器
Ｌ０〜Ｌ２、Ｌ２１〜Ｌ２７、Ｌ３０〜Ｌ３２ レーザ光
Ｖ１〜Ｖ３、Ｖ３１〜Ｖ３３、Ｖ３５〜Ｖ３７ バルブ
Ｓ１〜Ｓ４、Ｓ３１〜Ｓ３７ 開閉信号

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】