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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2025-01-07
(45)【発行日】2025-01-16
(54)【発明の名称】パルス整形装置及びパルス整形方法
(51)【国際特許分類】
G02F 1/35 20060101AFI20250108BHJP
【ＦＩ】
G02F1/35
【請求項の数】
10
(21)【出願番号】P 2021567092
(86)(22)【出願日】2020-11-27
(86)【国際出願番号】 JP2020044173
(87)【国際公開番号】W WO2021131487
(87)【国際公開日】2021-07-01
【審査請求日】2023-09-27
(31)【優先権主張番号】P 2019239404
(32)【優先日】2019-12-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２９年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、未来社会創造事業「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」受託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(73)【特許権者】
【識別番号】301032942
【氏名又は名称】国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構
(74)【代理人】
【識別番号】110000338
【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ
(72)【発明者】
【氏名】錦野 将元
(72)【発明者】
【氏名】森 道昭
(72)【発明者】
【氏名】ヂン タンフン
(72)【発明者】
【氏名】小島 完興
(72)【発明者】
【氏名】北村 俊幸
(72)【発明者】
【氏名】長谷川 登
(72)【発明者】
【氏名】近藤 公伯
【審査官】山本 元彦
(56)【参考文献】
【文献】特表２０１５－５０６４８９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０９－２４６６４８（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００６／０１７０８５８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／００８３４０７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】中国特許出願公開第１０３２５９１８０（ＣＮ，Ａ）
【文献】XIE, N. et al.，Improvement of temporal contrast for ultrashort laser pulses by cross-polarized wave generation，OPTIK，2012年，Vol. 123，pp. 565-568
【文献】JULLIEN, A. et al.，Two crystal arrangement to fight efficiency saturation in cross-polarized wave generation，OPTICS EXPRESS，2006年04月03日，Vol. 14, No. 7，pp. 2760-2769
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｆ １／００－１／１２５
Ｇ０２Ｆ １／２１－７／００
Ｈ０１Ｓ ３／００－３／３０
ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
入力パルスレーザの光路上に並んで配置された少なくとも３個の非線形光学結晶からなる非線形光学結晶群を備え、前記少なくとも３個の非線形光学結晶のうち、前記入力パルスレーザの上流側から数えてｉ番目の非線形光学結晶を第ｉ非線形光学結晶として、
第２非線形光学結晶と第３非線形光学結晶の間には、偏光子が配置されず、
前記第３非線形光学結晶から出力される、偏光方向が前記入力パルスレーザの偏光方向と直交するパルスレーザの相対エネルギー揺らぎが、前記第２非線形光学結晶から出力される、偏光方向が前記入力パルスレーザの偏光方向と直交するパルスレーザの相対エネルギー揺らぎよりも小さくなるように、前記第３非線形光学結晶の結晶軸と前記入力パルスレーザの偏光方向との成す角度ａ３が設定されている、
ことを特徴とするパルス整形装置。
【請求項2】
前記非線形光学結晶群から出力される、偏光方向が前記入力パルスレーザの偏光方向と直交するパルスレーザの相対エネルギー揺らぎが、前記入力パルスレーザの相対エネルギー揺らぎの５倍以下である、ことを特徴とする請求項１に記載のパルス整形装置。
【請求項3】
前記第３非線形光学結晶から出力される、偏光方向が前記入力パルスレーザの偏光方向と直交するパルスレーザの相対エネルギー揺らぎが最小になるように、前記角度ａ３が設定されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のパルス整形装置。
【請求項4】
前記第２非線形光学結晶から出力される、偏光方向が前記入力パルスレーザの偏光方向と直交するパルスレーザの相対エネルギー揺らぎが、第１非線形光学結晶から出力される、偏光方向が前記入力パルスレーザの偏光方向と直交するパルスレーザの相対エネルギー揺らぎよりも小さくなるように、前記第２非線形光学結晶の結晶軸と前記入力パルスレーザの偏光方向との成す角度ａ２が設定されている、ことを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載のパルス整形装置。
【請求項5】
前記第２非線形光学結晶から出力される、偏光方向が前記入力パルスレーザの偏光方向と直交するパルスレーザの相対エネルギー揺らぎが最小になるように、前記角度ａ２が設定されている、ことを特徴とする請求項４に記載のパルス整形装置。
【請求項6】
第１非線形光学結晶における、前記入力パルスレーザから、偏光方向が前記入力パルスレーザの偏光方向と直交するパルスレーザへのエネルギー変換効率が最大になるように、前記第１非線形光学結晶の結晶軸と前記入力パルスレーザの偏光方向との成す角度ａ１が設定されている、ことを特徴とする請求項１～５の何れか一項に記載のパルス整形装置。
【請求項7】
レーザ光源にて生成されたパルスレーザの光路上に配置された第１偏光子と、前記第１偏光子を透過したパルスレーザの光路上に配置された第１レンズと、前記第１レンズを透過したパルスレーザの光路上に配置されたピンホールと、前記ピンホールを透過したパルスレーザの光路上に配置された第２レンズと、前記第２レンズを透過したパルスレーザの光路上に配置された第２偏光子と、を更に備え、前記非線形光学結晶群は、前記ピンホールと前記第２レンズとの間に配置されており、
前記第１偏光子は、前記非線形光学結晶群に入力される前記入力パルスレーザを透過し、前記第２偏光子は、前記非線形光学結晶群から出力される、偏光方向が前記入力パルスレーザの偏光方向と直交するパルスレーザを透過する、
ことを特徴とする請求項１～６の何れか一項に記載のパルス整形装置。
【請求項8】
前記第１非線形光学結晶は、前記第１非線形光学結晶に入射する、前記入力パルスレーザの偏光の一部を前記入力パルスレーザの偏光方向と直交する偏光方向の光に変換し、前記第２非線形光学結晶は、前記第１非線形光学結晶を通過して前記第２非線形光学結晶に入射する、前記入力パルスレーザの偏光の一部を前記入力パルスレーザの偏光方向と直交する偏光方向の光に変換し、
前記第３非線形光学結晶は、前記第１非線形光学結晶および前記第２非線形光学結晶を通過して前記第３非線形光学結晶に入射する、前記入力パルスレーザの偏光の一部を前記入力パルスレーザの偏光方向と直交する偏光方向の光に変換する、請求項４～６の何れか一項に記載のパルス整形装置。
【請求項9】
入力パルスレーザの光路上に並んで配置された少なくとも３個の非線形光学結晶からなる非線形光学結晶群を用いて、前記入力パルスレーザのコントラスト比を向上させる、パルス整形方法であって、前記少なくとも３個の非線形光学結晶のうち、前記入力パルスレーザの上流側から数えてｉ番目の非線形光学結晶を第ｉ非線形光学結晶として、
第２非線形光学結晶と第３非線形光学結晶の間には、偏光子が配置されず、
前記第３非線形光学結晶から出力される、偏光方向が前記入力パルスレーザの偏光方向と直交するパルスレーザの相対エネルギー揺らぎが、前記第２非線形光学結晶から出力される、偏光方向が前記入力パルスレーザの偏光方向と直交するパルスレーザの相対エネルギー揺らぎよりも小さくなるように、前記第３非線形光学結晶の結晶軸と前記入力パルスレーザの偏光方向との成す角度ａ３が設定されている、
ことを特徴とするパルス整形方法。
【請求項10】
第１非線形光学結晶は、前記第１非線形光学結晶に入射する、前記入力パルスレーザの偏光の一部を前記入力パルスレーザの偏光方向と直交する偏光方向の光に変換し、前記第２非線形光学結晶は、前記第１非線形光学結晶を通過して前記第２非線形光学結晶に入射する、前記入力パルスレーザの偏光の一部を前記入力パルスレーザの偏光方向と直交する偏光方向の光に変換し、
前記第３非線形光学結晶は、前記第１非線形光学結晶および前記第２非線形光学結晶を通過して前記第３非線形光学結晶に入射する、前記入力パルスレーザの偏光の一部を前記入力パルスレーザの偏光方向と直交する偏光方向の光に変換する、請求項９に記載のパルス整形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、パルスレーザのコントラスト比を向上させるための装置であるパルス整形装置に関する。また、本発明は、パルスレーザのコントラスト比を向上させるための方法であるパルス整形方法に関する。
【背景技術】
【0002】
チャープパルス増幅法の開発により、高強度・超短パルスレーザの生成が容易となった。チャープパルス増幅法では、レーザ光がナノ秒程度のパルス幅で増幅された後、パルス圧縮器により時間的に圧縮される。チャープパルス増幅法により得られるパルスレーザは、ＴＷ（１兆すなわち１０１２Ｗ）を超えるため、ＴＮＳＡ（Target Normal Sheath Acceleration）等のイオン加速への利用が期待されている。
【0003】
しかしながら、チャープパルス増幅法により得られるパルスレーザには、自然放出光と呼ばれる背景光成分や増幅過程で発生するプリパルス成分など、メインパルスに対してナノ秒程度先行して標的物質に到達する低強度成分が含まれる。これらの低強度成分は、メインパルス到達前に標的物質を変質させるなどして、メインパルスと標的物質との相互作用を阻害するため、実用上問題となる。例えば、標的物質が金属である場合、メインパルス到達前にプリパルスによってプラズマが形成される。このようなプラズマの形成を抑えるためには、プリパルスの強度を電離閾値強度（１００億すなわち１０１０Ｗ／ｃｍ２程度）以下に低下させる必要がある。
【0004】
パルスレーザにおけるメインパルスとプリパルスとの強度比は、コントラスト比と呼ばれる。パルスレーザのコントラスト比を向上させるための技術としては、プラズマミラー法、可飽和吸収体法、光パラメトリックチャープパルス増幅法、直交偏波発生法などが知られている。
【0005】
パルスレーザを標的物質に照射すると、破壊閾値を超えた箇所で高密度プラズマが発生する。プラズマミラー法は、この高密度プラズマを用いて、パルスレーザのコントラスト比を向上させる方法である。しかしながら、プラズマミラー法には、メインパルスを高密度プラズマの反射光として取り出すため、メインパルスの反射率や安定性が低いという問題があった。また、ミラーの同じ場所を用いてプラズマミラーとして機能する高密度プラズマを繰り返し生成することができない問題があった。
【0006】
可飽和吸収体は、低強度のプリパルスを吸収すると共に、高強度のメインパルスを透過させる。可飽和吸収体法は、この可飽和吸収体を用いて、パルスレーザのコントラスト比を向上させる方法である。しかしながら、可飽和吸収体法には、レーザ光の吸収による発熱に起因して可飽和吸収体が損傷を受け易いという問題があった。また、メインパルス到達前に入射する低強度成分（プリパルス）については、その強度を十分に低下させることができるが、メインパルス到達後に入射する低強度成分については、その強度を十分に低下させることができないという問題があった。可飽和吸収体は、一旦パルスを透過する過飽和状態になると、強度が低下してもパルスを透過し続けるためである。
【0007】
光パラメトリックチャープパルス増幅法は、原理上、光パラメトリック現象が起こる強度の励起パルスが存在している時だけしか被増幅パルスの増幅が行われないため、パルスレーザの高コントラスト化に有効な技術である。実際、光パラメトリックチャープパルス増幅法を用いれば、最大１２桁のコントラスト比を有するパルスレーザを得られることが実証されている。しかしながら、光パラメトリックチャープパルス増幅では、励起パルスと被増幅パルスとの時間ジッターにより、出力エネルギーが不安定になることが知られている。
【0008】
直線偏光を非線形光学結晶に入力すると、その直線偏光の一部が直交偏光（偏光方向がその直線偏光に直交する直線偏光）に変換される。この変換の変換効率は、入射する直線偏光の強度の３乗に比例する。したがって、パルスレーザを非線形光学結晶に入力すると、相対的に強度の高いメインパルスは、相対的に強度の低いプリパルスよりも高い変換効率で直交偏光にされる。したがって、非線形光学結晶から出力されるパルスレーザのコントラスト比は、非線形光学結晶に入力されるパルスレーザのコントラスト比よりも高くなる。直交偏波発生法は、非線形光学結晶のこのような性質を用いて、パルスレーザの高コントラス化を実現する方法である。直交偏波発生法を用いれば、１０～１１桁のコントラスト比を有するパルスレーザを得られることが、近年報告されている。
【0009】
直交偏波発生法では、直線偏光から直交偏光への変換効率が入射強度の３乗に比例する。このため、直交偏波発生法は、入射強度が非線形光学結晶の損傷閾値に近い設定で実施されることが多い。このため、自己位相変調により非線形光学結晶が白色発光するという問題や非線形光学結晶が損傷するという問題を生じることがある。
【0010】
パルスレーザのコントラスト比を向上させるための技術を開示した文献としては、例えば、特許文献１～３や非特許文献１～３などが挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0011】
【文献】日本国特開２００８－２９９１５５号公報
【文献】日本国特開２００９－０５３５０５号公報
【文献】日本国特開２０１４－１３８０４７号公報
【非特許文献】
【0012】
【文献】Efficient generation of cross-polarized femtosecond pulses in cubic crystals with holographic cut orientation、Appl. Phys. Lett. 92、 231102 (2008).
【文献】High-fidelity front-end for high-power、high temporal quality few-cycle lasers、Appl. Phys. B 102: 769-774(2011).
【文献】Two crystal arrangement to fight efficiency saturation in cross-polarized wave Generation、Opt. Exp. 14、2760(2011).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
上述したように、直交偏波発生法は、パルスレーザのコントラスト比を格段に向上させることができる、極めて有用なパルス整形技術である。特に、非特許文献３などに開示された、２個の非線形光学結晶を用いたパルス整形技術は、２０％程度の変換効率を達成することができるので、イオン加速をはじめとした、高コントラスト比・高強度レーザが必要とされる各分野への応用が期待されている。
【0014】
しかしながら、１個又は２個の非線形光学結晶を用いたパルス整形技術には、得られるパルスレーザのエネルギー揺らぎが大きいという問題があった。ここで、パルスレーザのエネルギー揺らぎとは、そのパルスレーザに関して、パルス毎に測定されたエネルギーの分散のことを指す。
【0015】
例えば、イオン加速では、標的に照射するパルスレーザのエネルギー揺らぎが大きいと、加速されるイオンのエネルギーや粒子数などが不安定になる。したがって、イオン加速を安定運用するためには、パルスレーザのエネルギー揺らぎを抑えることが重要になる。
【0016】
本発明の一態様は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、非線形光学結晶を１個又は２個用いた従来のパルス整形技術よりも、エネルギー揺らぎの小さいパルスレーザを得ることが可能なパルス整形技術を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0017】
本発明の一態様に係るパルス整形装置においては、入力パルスレーザの光路上に並んで配置された少なくとも３個の非線形光学結晶からなる非線形光学結晶群を備えている、という構成が採用されている。
【0018】
本発明の一態様に係るパルス整形方法においては、入力パルスレーザの光路上に並んで配置された少なくとも３個の非線形光学結晶からなる非線形光学結晶群を用いて、前記入力パルスレーザのコントラスト比を向上させる、という手法が採用されている。
【発明の効果】
【0019】
本発明の一態様によれば、非線形光学結晶を１個又は２個用いた従来のパルス整形技術よりも、エネルギー揺らぎの小さいパルスレーザを得ることが可能なパルス整形技術を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本発明の一実施形態に係るパルス整形装置の構成を示す斜視図である。
【図2】本発明の一実施形態に係るパルス整形方法の流れを示すフローチャートである。
【図3】第１非線形光学結晶におけるエネルギー変換効率、及び、第１非線形光学結晶から出力されるパルスレーザのエネルギー揺らぎの、第１非線形光学結晶の回転角依存性を示すグラフである。
【図4】第１非線形光学結晶及び第２非線形光学結晶におけるエネルギー変換効率、及び、第２非線形光学結晶から出力されるパルスレーザのエネルギー揺らぎの、第２非線形光学結晶の回転角依存性を示すグラフである。
【図5】第１非線形光学結晶、第２非線形光学結晶、及び第３非線形光学結晶におけるエネルギー変換効率、及び、第３非線形光学結晶から出力されるパルスレーザのエネルギー揺らぎの、第３非線形光学結晶の回転角依存性を示すグラフである。
【図6】非線形光学結晶群を３個の非線形光学結晶により構成した場合について、第１非線形光学結晶Ｍ１の回転角ａ１を２２.５°に固定し、第２非線形光学結晶Ｍ２の回転角ａ２、及び、第３非線形光学結晶Ｍ３の回転角ａ３を独立に変化させた場合に非線形光学結晶群から出力されるパルスレーザのエネルギーの回転角依存性を示すグラフである。
【図7】非線形光学結晶群を３個の非線形光学結晶により構成した場合について、第１非線形光学結晶Ｍ１の回転角ａ１を２２.５°に固定し、第２非線形光学結晶Ｍ２の回転角ａ２、及び、第３非線形光学結晶Ｍ３の回転角ａ３を独立に変化させた場合に非線形光学結晶群から出力されるパルスレーザのエネルギー揺らぎの回転角依存性を示すグラフである。
【図8】非線形光学結晶群を１個の非線形光学結晶により構成した場合、２個の非線形光学結晶により構成した場合、及び、３個の非線形光学結晶により構成した場合について、非線形光学結晶群のエネルギー変換効率の入力エネルギー依存性を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0021】
【0022】
パルス整形装置１は、図１に示すように、第１偏光子Ｐ１と、第１レンズＬ１と、ピンホールＣと、非線形光学結晶群Ｍと、第２レンズＬ２と、第２偏光子Ｐ２と、を備えている。パルス整形装置１は、レーザ光源２から出力されたパルスレーザＰＬのコントラスト比を向上させるための装置である。本実施形態においては、レーザ光源２として、超短パルスレーザを出力可能なチタンサファイアレーザを用いている。
【0023】
なお、以下の説明においては、レーザ光源２から出力されるパルスレーザＰＬの進行方向に平行なｚ軸、ｚ軸に直交するｘ軸、並びに、ｚ軸及びｘ軸の両方に直交するｙ軸を有する直交座標系を用いる。また、以下の説明においては、偏光方向（電界の振動方向）がｘ軸と平行であり、且つ、進行方向がｚ軸と平行である直線偏光をｘ偏光と記載し、偏光方向がｙ軸と平行であり、且つ、進行方向がｚ軸と平行である直線偏光をｙ偏光と記載する。レーザ光源２から出力されるパルスレーザＰＬには、ｘ偏光であるパルスレーザＰＬｘとｙ偏光であるパルスレーザＰＬｙとが含まれているものとする。
【0024】
レーザ光源２から出力されたパルスレーザＰＬは、第１偏光子Ｐ１に入力される。第１偏光子Ｐ１は、入力されたパルスレーザＰＬのｘ偏光成分を選択的に透過させる。したがって、第１偏光子Ｐ１を透過するパルスレーザは、ｘ偏光であるパルスレーザＰＬｘとなる。本実施形態においては、第１偏光子Ｐ１として、消光比の高いキューブ型グランテーラープリズムを用いている。なお、レーザ光源２から出力されるパルスレーザＰＬがｘ偏光ある場合には、第１偏光子Ｐ１を省略することも可能である。
【0025】
第１偏光子Ｐ１を透過したパルスレーザＰＬｘは、第１レンズＬ１に入力される。第１レンズＬ１は、入力されたパルスレーザＰＬｘを集光する。換言すると、第１レンズＬ１は、入力されたパルスレーザＰＬｘを、平行光束又は発散光束から収斂光束へと変換する。したがって、第１レンズＬ１を透過したパルスレーザＰＬｘは、収斂光束となる。本実施形態においては、第１レンズＬ１として、焦点距離が例えば１０００ｍｍの平凸レンズを用いている。なお、第１偏光子Ｐ１を透過するパルスレーザＰＬｘが収斂光束である場合には、第１レンズＬ１を省略することもできる。
【0026】
第１レンズＬ１を透過したパルスレーザＰＬｘは、ピンホールＣに入力される。ピンホールＣは、入力されたパルスレーザＰＬｘの近軸成分を選択的に透過させる。すなわち、ピンホールＣは、空間フィルタ（Spatial Filter）の役割を果たす。ピンホールＣは、第１レンズＬ１を透過したパルスレーザＰＬｘの集光点に配置されている。したがって、ピンホールＣを透過したパルスレーザＰＬｘは、発散光束となる。本実施形態においては、ピンホールＣとして、光彩絞りを用いている。なお、第１レンズＬ１を透過するパルスレーザＰＬｘの波面歪みが十分に小さい場合には、ピンホールＣを省略することもできる。
【0027】
ピンホールＣを透過したパルスレーザＰＬｘは、非線形光学結晶群Ｍに入力される。非線形光学結晶群Ｍは、ピンホールＣを透過したパルスレーザＰＬｘの一部を、ｙ偏光に変換する。したがって、非線形光学結晶Ｍから出力されるパルスレーザＰＬ’は、ｘ偏光であるパルスレーザＰＬ’ｘとｙ偏光であるパルスレーザＰＬ’ｙとを含む。ここで、非線形光学結晶群ＭにおけるパルスレーザＰＬｘからパルスレーザＰＬ’ｙへの変換効率は、パルスレーザＰＬｘの強度の３乗に比例する。このため、相対的に強度の高いパルスレーザＰＬｘの中心部分（メインパルス）は、相対的に強度の低いパルスレーザＰＬｘの裾野部分（プリパルス）よりも高い変換効率でｙ偏光に変換される。したがって、非線形光学結晶群Ｍから出力されるｙ偏光であるパルスレーザＰＬ’ｙのコントラスト比は、レーザ光源２から出力されるパルスレーザＰＬのコントラスト比よりも高くなる。なお、非線形光学結晶群Ｍの構成については、後述する。
【0028】
非線形光学結晶群Ｍから出力されたパルスレーザＰＬ’は、第２レンズＬ２に入力される。第２レンズＬ２は、入力されたパルスレーザＰＬ’をコリメートする。換言すると、第２レンズＬ２は、入力されたパルスレーザＰＬ’を、発散光束から平行光束へと変換する。したがって、第２レンズＬ２を透過したパルスレーザＰＬ’は、平行光束となる。本実施形態においては、第２レンズＬ２として、焦点距離が１０００ｍｍの平凸レンズを用いている。また、本実施形態において、パルスレーザＰＬは、第２レンズＬ２を透過したパルスレーザＰＬ’が最短パルスとなるように予め調整されている。
【0029】
第２レンズＬ２を透過したパルスレーザＰＬ’は、第２偏光子Ｐ２に入力される。第２偏光子Ｐ２は、入力されたパルスレーザＰＬ’のｙ偏光成分を選択的に透過させる。したがって、第２偏光子Ｐから出力されるパルスレーザは、ｙ偏光であるパルスレーザＰＬ’ｙとなる。本実施形態においては、第１偏光子Ｐ１として、消光比の高いキューブ型グランテーラープリズムを用いている。
【0030】
以上のように、レーザ光源２から出力されたパルスレーザＰＬをパルス整形装置１に入力すると、そのパルスレーザＰＬよりもコントラスト比の高いパルスレーザＰＬ’ｙがパルス整形装置１から出力される。すなわち、パルス整形装置１によれば、レーザ光源２から出力されたパルスレーザＰＬのコントラスト比を向上させることができる。
【0031】
（非線形光学結晶群の構成）
非線形光学結晶群Ｍの構成について、引き続き図１を参照して説明する。
非線形光学結晶群Ｍの構成について、引き続き図１を参照して説明する。
【0032】
非線形光学結晶群Ｍは、パルスレーザＰＬの光路上に並んで配置されたｎ個の非線形光学結晶Ｍ１～Ｍｎにより構成することができる。ここで、ｎは、３以上の任意の自然数である。本実施形態において、非線形光学結晶群Ｍを構成する非線形光学結晶Ｍ１～Ｍｎの個数ｎは、３である。また、実施形態においては、非線形光学結晶Ｍ１～Ｍ３として、厚み１．０ｍｍの円盤状に加工されたＢａＦ２結晶であって、結晶軸が厚み方向に直交するＢａＦ２結晶を用いている。非線形光学結晶Ｍ１～Ｍ３は、それぞれ、主面がｘｙ平面と平行になるように、且つ、パルスレーザＰＬの光軸が主面の中心を通るように配置される。このため、非線形光学結晶Ｍ１～Ｍ３の結晶軸は、それぞれ、ｘｙ平面と平行になる。
【0033】
第１非線形光学結晶Ｍ１は、ｘ偏光であるパルスレーザＰＬｘの一部を、ｙ偏光に変換する。したがって、第１非線形光学結晶Ｍ１から出力されるパルスレーザＰＬ１は、ｘ偏光であるパルスレーザＰＬ１ｘとｙ偏光であるパルスレーザＰＬ１ｙとを含む。同様に、第２非線形光学結晶Ｍ２は、ｘ偏光であるパルスレーザＰＬ１ｘの一部を、ｙ偏光に変換する。したがって、第２非線形光学結晶Ｍ２から出力されるパルスレーザＰＬ２は、ｘ偏光であるパルスレーザＰＬ２ｘとｙ偏光であるパルスレーザＰＬ２ｙとを含む。同様に、第３非線形光学結晶Ｍ３は、ｘ偏光であるパルスレーザＰＬ２ｘの一部を、ｙ偏光に変換する。したがって、第３非線形光学結晶Ｍ３から出力されるパルスレーザＰＬ３は、ｘ偏光であるパルスレーザＰＬ３ｘとｙ偏光であるパルスレーザＰＬ３ｙとを含む。なお、上述したように、本実施形態においては、非線形光学結晶群Ｍが３つの非線形光学結晶Ｍ１～Ｍ３により構成されている。したがって、本実施形態においては、第３非線形光学結晶Ｍ３から出力されるパルスレーザＰＬ３が、非線形光学結晶群Ｍから出力されるパルスレーザＰＬ’に相当する。
【0034】
ピンホールＣから第１非線形光学結晶Ｍ１までの距離ｄ１、第１非線形光学結晶Ｍ１から第２非線形光学結晶Ｍ２までの距離ｄ２、及び、第２非線形光学結晶Ｍ２から第３非線形光学結晶Ｍ３までの距離ｄ３は、それぞれ、独立に設定することが可能である。また、第１非線形光学結晶Ｍ１の回転角ａ１、第２非線形光学結晶Ｍ２の回転角ａ２、及び、第３非線形光学結晶Ｍ３の回転角ａ３は、それぞれ、独立に設定することが可能である。ここで、各非線形光学結晶Ｍｉの回転角ａｉとは、その非線形光学結晶Ｍｉの結晶軸とｘ軸（パルスレーザＰＬｘの偏光方向と平行な軸）との成す角度である（ｉ＝１，２，３）。
【0035】
距離ｄ１は、第１非線形光学結晶Ｍ１において自己位相変調による白色光が発生せず、且つ、第１非線形光学結晶Ｍ１にダメージが発生しない範囲で、パルスレーザＰＬｘからパルスレーザＰＬ１ｙへのエネルギー変換効率η１を最大化するように設定される。また、回転角ａ１は、距離ｄ１を上記のように設定したうえで、エネルギー変換効率η１を最大化するように設定される。なお、自己位相変調による白色光が発生しないことは、例えば、ＣＣＤカメラや目視等による発光の有無の観察、或いは、分光計測によるスペクトルの観察によって確認することができる。また、ダメージが発生していないことは、例えば、ＣＣＤカメラや目視等による観察、或いは、出力低下の検出によって確認することができる。
【0036】
ここで、エネルギー変換効率η１は、η１＝（パルスレーザＰＬ１ｙのエネルギー／パルスレーザＰＬｘのエネルギー）により定義される。第１非線形光学結晶Ｍ１の結晶方位が［１００］である場合、エネルギー変換効率η１は、概ねｓｉｎ（４×ａ１）に比例する。したがって、この場合、エネルギー変換効率η１は、回転角ａ１が概ね２２．５°、６７．５°、１１２．５°、又は１５７．５°の何れかに設定された場合に最大値を取る。
【0037】
距離ｄ２は、距離ｄ１及び回転角ａ１を上記のように設定したうえで、第２非線形光学結晶Ｍ２において自己位相変調による白色光が発生せず、且つ、第２非線形光学結晶Ｍ２にダメージが発生しない範囲で、パルスレーザＰＬｘからパルスレーザＰＬ２ｙへのエネルギー変換効率η２を最大化するように設定される。また、回転角ａ２は、距離ｄ２を上記のように設定したうえで、パルスレーザＰＬ２ｙのエネルギー揺らぎσ２がパルスレーザＰＬ１ｙのエネルギー揺らぎσ１よりも小さくなるように設定される。より好ましくは、エネルギー揺らぎσ２を最小化するように設定される。
【0038】
ここで、エネルギー変換効率η２は、η２＝（パルスレーザＰＬ２ｙのエネルギー）／（パルスレーザＰＬｘのエネルギー）により定義される。また、エネルギー揺らぎσ２は、パルスレーザＰＬ２ｙに関して、パルス毎に測定されたエネルギーの標準偏差により定義される。非線形光学結晶Ｍ１～Ｍ２の結晶方位が［１００］である場合、エネルギー変換効率η２は、概ねｓｉｎ（２×ａ２）に比例する。また、この場合、エネルギー揺らぎσ２は、概ねｓｉｎ（２×ａ２－２２．５°）に比例する。したがって、この場合、エネルギー揺らぎσ２は、回転角ａ２が概ね６７．５°又は１５７．５°の何れかに設定された場合に最大値を取る。
【0039】
距離ｄ３は、距離ｄ１，ｄ２及び回転角ａ１，ａ２を上記のように設定したうえで、第３非線形光学結晶Ｍ３において自己位相変調による白色光が発生せず、且つ、第３非線形光学結晶Ｍ３にダメージが発生しない範囲で、パルスレーザＰＬｘからパルスレーザＰＬ３ｙへのエネルギー変換効率η３を最大化するように設定される。また、回転角ａ３は、距離ｄ３を上記のように設定したうえで、パルスレーザＰＬ３ｙのエネルギー揺らぎσ３がパルスレーザＰＬ２ｙのエネルギー揺らぎσ２よりも小さくなるように設定される。より好ましくは、パルスレーザＰＬ３ｙのエネルギー揺らぎσ３を最小化するように設定される。
【0040】
ここで、エネルギー変換効率η３は、η３＝（パルスレーザＰＬ３ｙのエネルギー）／（パルスレーザＰＬｘのエネルギー）により定義される。また、エネルギー揺らぎσ３は、パルスレーザＰＬ３ｙに関して、パルス毎に測定されたエネルギーの標準偏差により定義される。非線形光学結晶Ｍ１～Ｍ３の結晶方位が［１００］である場合、エネルギー変換効率η３は、概ねｓｉｎ（２×ａ３）に比例する。また、この場合、エネルギー揺らぎσ３は、概ねｓｉｎ（２×ａ３－２２．５°）に比例する。したがって、この場合、エネルギー揺らぎσ３は、回転角ａ３が概ね６７．５°又は１５７．５°の何れかに設定された場合に最大値を取る。
【0041】
なお、エネルギー変換効率η２は、エネルギー変換効率η１以上にすることができる（エネルギー変換効率η１の最大４倍程度にすることができる）。これは、第２非線形光学結晶Ｍ２に入力されるパルスレーザＰＬ１ｘがカーレンズ効果によって第１非線形光学結晶Ｍ１において集光されるためである。また、これにより、第２非線形光学結晶Ｍ２において蓄積される位相シフト量が増加し、その結果、パルスレーザＰＬ１ｙと第２非線形光学結晶Ｍ２にて生成されるｙ偏光とが互いに強め合うように干渉する条件が整うからである。また、同様の理由により、エネルギー変換効率η３は、エネルギー変換効率η２以上にすることができる。
【0042】
距離ｄ１～ｄ３及び回転角ａ１～ａ３を上記のように設定すれば、パルス整形装置１から出力されるパルスレーザＰＬ’ｙ（本実施形態においては、第３非線形光学結晶Ｍ３から出力されるパルスレーザＰＬ３ｙに相当）のエネルギー揺らぎを、従来のパルス整形装置から出力されるパルスレーザのエネルギー揺らぎ（レーザ光源から出力されるパルスレーザのエネルギー揺らぎの５倍程度）よりも小さく抑えることができる。
【0043】
なお、パルス整形装置１は、各非線形光学結晶Ｍｉを、パルスレーザＰＬの光軸を回転軸として回転可能に保持するホルダを更に備えていることが好ましい。これにより、各非線形光学結晶Ｍｉを回転させて、回転角ａｉを調整することが容易になる。また、パルス整形装置１は、各非線形光学結晶Ｍｉを、パルスレーザＰＬの光軸に沿って平行移動可能に保持するホルダを更に備えていることが好ましい。これにより、各非線形光学結晶Ｍｉを平行移動させて、距離ｄｉを調整することが移動することが容易になる。
【0044】
（距離ｄ１～ｄ３及び回転角ａ１～ａ３の設定方法の具体例）
距離ｄ１～ｄ３及び回転角ａ１～ａ３の設定方法の具体例について、図２を参照して説明する。図２は、本具体例に係る設定方法Ｓ１の流れを示すフローチャートである。
距離ｄ１～ｄ３及び回転角ａ１～ａ３の設定方法の具体例について、図２を参照して説明する。図２は、本具体例に係る設定方法Ｓ１の流れを示すフローチャートである。
【0045】
設定方法Ｓ１は、図２に示すように、第１非線形光学結晶Ｍ１に関する工程Ｓ１０１～Ｓ１０４、第２非線形光学結晶Ｍ２に関する工程Ｓ１０５～Ｓ１０８、及び、第３非線形光学結晶Ｍ３に工程Ｓ１０９～Ｓ１１２を含んでいる。
【0046】
工程Ｓ１０１は、ピンホールＣから第１非線形光学結晶Ｍ１までの距離ｄ１を調整する工程である。一例として、初期値をｄ１＝０として、距離ｄ１を予め定められた増分Δだけ増加させる工程である。この場合、工程Ｓ１０１がｍ回繰り返されると、距離ｄ１がΔ×ｍに設定される。工程Ｓ１０２は、下記の条件１ａ～１ｃが満たされているか否かを判定する工程である。工程Ｓ１０１は、工程Ｓ１０２にて下記の条件１ａ～１ｃの全てが満たされている旨の判定がなされるまで繰り返される。
【0047】
条件１ａ：第１非線形光学結晶Ｍ１におけるエネルギー変換効率η１が最大となる。
【0048】
条件１ｂ：第１非線形光学結晶Ｍ１において自己位相変調による白色光が発生しない。
【0049】
条件１ｃ：第１非線形光学結晶Ｍ１にダメージが生じない。
【0050】
なお、第１非線形光学結晶Ｍ１に入力されるパルスレーザＰＬのパワー密度が２０ＧＷ／ｃｍ２以下であれば、通常、第１非線形光学結晶Ｍ１において、白色光が生じることも、ダメージが生じることもない。したがって、条件１ｂ及び条件１ｃは、それぞれ、下記の条件１ｄに置き換えてもよい。
【0051】
条件１ｄ：第１非線形光学結晶Ｍ１に入力されるパルスレーザＰＬのパワー密度が２０ＧＷ／ｃｍ２以下である。
【0052】
工程Ｓ１０３は、第１非線形光学結晶Ｍ１の回転角ａ１を調整する工程である。一例として、初期値をａ１＝０として、回転角ａ１を予め定められた増分δだけ増加させる工程である。この場合、工程Ｓ１０３がｍ回繰り返されると、回転角ａ１がδ×ｍに設定される。工程Ｓ１０４は、下記の条件１ｅが満たされているか否かを判定する工程である。工程Ｓ１０３は、工程Ｓ１０４にて下記の条件１ｅが満たされる旨の判定がなされるまで繰り返される。
【0053】
条件１ｅ：第１非線形光学結晶Ｍ１におけるエネルギー変換効率η１が最大となる。
【0054】
工程Ｓ１０５は、第１非線形光学結晶Ｍ１から第２非線形光学結晶Ｍ２までの距離ｄ２を調整する工程である。一例として、初期値をｄ２＝０として、距離ｄ２を予め定められた増分Δだけ増加させる工程である。この場合、工程Ｓ１０５がｍ回繰り返されると、距離ｄ２がΔ×ｍに設定される。工程Ｓ１０６は、下記の条件２ａ～２ｃが満たされているか否かを判定する工程である。工程Ｓ１０５は、工程Ｓ１０６にて下記の条件２ａ～２ｃの全てが満たされている旨の判定がなされるまで繰り返される。
【0055】
条件２ａ：第１非線形光学結晶Ｍ１及び第２非線形光学結晶Ｍ２におけるエネルギー変換効率η２が最大となる。
【0056】
条件２ｂ：第２非線形光学結晶Ｍ２において自己位相変調による白色光が発生しない。
【0057】
条件２ｃ：第２非線形光学結晶Ｍ２にダメージが生じない。
【0058】
なお、第２非線形光学結晶Ｍ２に入力されるパルスレーザＰＬ１のパワー密度が２０ＧＷ／ｃｍ２以下であれば、通常、第２非線形光学結晶Ｍ２において、白色光が生じることも、ダメージが生じることもない。したがって、条件２ｂ及び条件２ｃは、それぞれ、下記の条件２ｄに置き換えてもよい。
【0059】
条件２ｄ：第２非線形光学結晶Ｍ２に入力されるパルスレーザＰＬ１のパワー密度が２０ＧＷ／ｃｍ２以下である。
【0060】
工程Ｓ１０７は、第２非線形光学結晶Ｍ２の回転角ａ２を調整する工程である。一例として、初期値をａ２＝０として、回転角ａ２を予め定められた増分δだけ増加させる工程である。この場合、工程Ｓ１０７がｍ回繰り返されると、回転角ａ２がδ×ｍに設定される。工程Ｓ１０８は、下記の条件２ｅが満たされているか否かを判定する工程である。工程Ｓ１０７は、工程Ｓ１０８にて下記の条件２ｅが満たされる旨の判定がなされるまで繰り返される。
【0061】
条件２ｅ：第２非線形光学結晶Ｍ２から出力されるパルスレーザＰＬ２ｙのエネルギー揺らぎσ２が最小になる。
【0062】
工程Ｓ１０９は、第２非線形光学結晶Ｍ２から第３非線形光学結晶Ｍ３までの距離ｄ３を調整する工程である。一例として、初期値をｄ３＝０として、距離ｄ３を予め定められた増分Δだけ増加させる工程である。この場合、工程Ｓ１０９がｍ回繰り返されると、距離ｄ３がΔ×ｍに設定される。工程Ｓ１１０は、下記の条件３ａ～３ｃが満たされているか否かを判定する工程である。工程Ｓ１０９は、工程Ｓ１１０にて下記の条件３ａ～３ｃの全てが満たされている旨の判定がなされるまで繰り返される。
【0063】
条件３ａ：第１非線形光学結晶Ｍ１、第２非線形光学結晶Ｍ２、及び第３非線形光学結晶Ｍ３におけるエネルギー変換効率η３が最大となる。
【0064】
条件３ｂ：第３非線形光学結晶Ｍ３において自己位相変調による白色光が発生しない。
【0065】
条件３ｃ：第３非線形光学結晶Ｍ３にダメージが生じない。
【0066】
なお、第３非線形光学結晶Ｍ３に入力されるパルスレーザＰＬ２のパワー密度が２０ＧＷ／ｃｍ２以下であれば、通常、第３非線形光学結晶Ｍ３において、白色光が生じることも、ダメージが生じることもない。したがって、条件３ｂ及び条件３ｃは、それぞれ、下記の条件３ｄに置き換えてもよい。
【0067】
条件３ｄ：第３非線形光学結晶Ｍ３に入力されるパルスレーザＰＬ２のパワー密度が２０ＧＷ／ｃｍ２以下である。
【0068】
工程Ｓ１１１は、第３非線形光学結晶Ｍ３の回転角ａ３を調整する工程である。一例として、初期値をａ３＝０として、回転角ａ３を予め定められた増分δだけ増加させる工程である。この場合、工程Ｓ１１１がｍ回繰り返されると、回転角ａ３がδ×ｍに設定される。工程Ｓ１１２は、下記の条件３ｅが満たされているか否かを判定する工程である。工程Ｓ１１１は、工程Ｓ１１２にて下記の条件３ｅが満たされる旨の判定がなされるまで繰り返される。
【0069】
条件３ｅ：第３非線形光学結晶Ｍ３から出力されるパルスレーザＰＬ３ｙのエネルギー揺らぎσ３が最小になる。
【0070】
なお、上述した設定方法Ｓ１は、上述した増分Δ，δを小さくしながら、繰り返し実施してもよい。例えば、増分Δ＝１ｍｍ、増分δ＝１°に設定して設定方法Ｓ１を実施した後、増分Δ＝０．１ｍｍ、増分δ＝０．１°に設定して設定方法Ｓ１を再度実施することなどが考えられる。これにより、距離ｄ１～ｄ３及び回転角ａ１～ａ３の設定をより高い精度で実施することが可能になる。
【0071】
（パルス整形装置の実施例）
パルス整形装置１の一実施例について、図３～図８を参照して説明する。なお、本実施例においては、レーザ光源２として、中心波長８１０ｎｍ、パルス幅４０ｆｓ、繰り返し周波数１００ＨｚのパルスレーザＰＬを生成するチタンサファイアレーザを用いた。このパルスレーザＰＬに関して、パルス毎に測定されたエネルギーの平均値（以下、「平均エネルギー」とも記載する）は、約８０μＪであった。また、このパルスレーザＰＬのエネルギー揺らぎσ（パルス毎に測定されたエネルギーの標準偏差）は、平均エネルギーに対して２．４％であった。
パルス整形装置１の一実施例について、図３～図８を参照して説明する。なお、本実施例においては、レーザ光源２として、中心波長８１０ｎｍ、パルス幅４０ｆｓ、繰り返し周波数１００ＨｚのパルスレーザＰＬを生成するチタンサファイアレーザを用いた。このパルスレーザＰＬに関して、パルス毎に測定されたエネルギーの平均値（以下、「平均エネルギー」とも記載する）は、約８０μＪであった。また、このパルスレーザＰＬのエネルギー揺らぎσ（パルス毎に測定されたエネルギーの標準偏差）は、平均エネルギーに対して２．４％であった。
【0072】
上述した工程Ｓ１０１～Ｓ１０２を実施した結果、ピンホールＣから第１非線形光学結晶Ｍ１までの距離ｄ１は、９０ｍｍに設定された。
【0073】
上述した工程Ｓ１０１～Ｓ１０２を実施した後、第１非線形光学結晶Ｍ１の回転角ａ１を変化させながら、第１非線形光学結晶Ｍ１におけるエネルギー変換効率η１と、第１非線形光学結晶Ｍ１から出力されるパルスレーザＰＬ１ｙのエネルギー揺らぎσ１と、を測定した。図３は、その結果を示すグラフである。なお、図３においては、エネルギー揺らぎσ１そのものの代わりに、パルスレーザＰＬ１ｙの平均エネルギーに対するエネルギー揺らぎσ１の比を相対エネルギー揺らぎΣ１とし、この相対エネルギー揺らぎΣ１をプロットしている。
【0074】
図３に示すように、エネルギー変換効率η１は、９０°を一周期として回転角ａ１に正弦的に依存し、ａ１＝２２．５°，６７.５°，１１２．５°，１５７．５°のときに最大値（約７．５％）を取る。このため、上述した工程Ｓ１０３～Ｓ１０４を実施すると、回転角ａ１は、これら４つの角度のうちの何れかに設定される。本実施例においては、ａ１＝６７.５°に設定された。
【0075】
続いて、上述した工程Ｓ１０５～Ｓ１０６を実施した結果、第１非線形光学結晶Ｍ１から第２非線形光学結晶Ｍ２までの距離ｄ２は、９０ｍｍに設定された。
【0076】
上述した工程Ｓ１０５～Ｓ１０６を実施した後、第２非線形光学結晶Ｍ２の回転角ａ２を変化させながら、第１非線形光学結晶Ｍ１及び第２非線形光学結晶Ｍ２におけるエネルギー変換効率η２と、第２非線形光学結晶Ｍ２から出力されるパルスレーザＰＬ２ｙのエネルギー揺らぎσ２と、を測定した。図４は、その結果を示すグラフである。なお、図４においては、エネルギー揺らぎσ２そのものの代わりに、パルスレーザＰＬ２ｙの平均エネルギーに対するエネルギー揺らぎσ２の比を相対エネルギー揺らぎΣ２とし、この相対エネルギー揺らぎΣ２をプロットしている。
【0077】
図４に示すように、エネルギー揺らぎσ２は、１８０°を一周期として回転角ａ２に正弦的に依存し、ａ２＝６７．５°，１５７．５°のときに最小値を取る。このため、上述した工程Ｓ１０７～Ｓ１０８を実施すると、回転角ａ２は、これら２つの角度のうちの何れかに設定される。本実施例においては、ａ２＝６７．５°に設定された。このとき、エネルギー変換効率η２は、約１１％であり、相対エネルギー揺らぎΣ２は、約９％であった。
【0078】
続いて、上述した工程Ｓ１０９～Ｓ１１０を実施した結果、第２非線形光学結晶Ｍ２から第３非線形光学結晶Ｍ３までの距離ｄ３は、１１０ｍｍに設定された。
【0079】
上述した工程Ｓ１０９～Ｓ１１０を実施した後、第３非線形光学結晶Ｍ３の回転角ａ３を変化させながら、第１非線形光学結晶Ｍ１、第２非線形光学結晶Ｍ２、及び第３非線形光学結晶Ｍ３におけるエネルギー変換効率η３と、第３非線形光学結晶Ｍ３から出力されるパルスレーザＰＬ３ｙのエネルギー揺らぎσ３と、を測定した。図５は、その結果を示すグラフである。なお、図５においては、エネルギー揺らぎσ３そのものの代わりに、パルスレーザＰＬ３ｙの平均エネルギーに対するエネルギー揺らぎσ３の比を相対エネルギー揺らぎΣ３とし、この相対エネルギー揺らぎΣ３をプロットしている。
【0080】
図５に示すように、エネルギー揺らぎσ３は、１８０°を一周期として回転角ａ３に正弦的に依存し、ａ３＝６７．５°，１５７．５°のときに最小値を取る。このため、上述した工程Ｓ１１１～Ｓ１１２を実施すると、回転角ａ３は、これら２つの角度のうちの何れかに設定される。本実施例においては、ａ３＝６７．５°に設定された。このとき、エネルギー変換効率η３は、約１６％であり、相対エネルギー揺らぎΣ３は、約１．４％であった。
【0081】
図３によれば、１個の非線形光学結晶Ｍ１を備えた従来のパルス整形装置では、得られるパルスレーザＰＬ１ｙの相対エネルギー揺らぎΣ１を、レーザ光源２から出力されるパルスレーザＰｌの相対エネルギー揺らぎΣ以下にし得ないことが確認される。同様に、図４によれば、２個の非線形光学結晶Ｍ１～Ｍ２を備えた従来のパルス整形装置では、得られるパルスレーザＰＬ２ｙの相対エネルギー揺らぎΣ２を、レーザ光源２から出力されるパルスレーザＰｌの相対エネルギー揺らぎΣ以下にし得ないことが確認される。一方、図５によれば、３個の非線形光学結晶Ｍ１～Ｍ３を備えたパルス整形装置１では、得られるパルスレーザＰＬ３ｙの相対エネルギー揺らぎΣ３を、レーザ光源２から出力されるパルスレーザＰＬの相対エネルギー揺らぎΣと同等にし得ることが確認される。以上のことから、３個の非線形光学結晶Ｍ１～Ｍ３を備えたパルス整形装置１では、従来のパルス整形装置よりも相対エネルギー揺らぎの小さいパルスレーザＰＬ３ｙが得られることが実証された。また、３個の非線形光学結晶Ｍ１～Ｍ３を備えたパルス整形装置１では、レーザ光源２から出力されるパルスレーザＰＬと同等に小さい相対エネルギー揺らぎを持つパルスレーザＰＬ３ｙが得られることが実証された。
【0082】
図６によれば、第１非線形光学結晶Ｍ１の回転角ａ１を２２.５°に固定し、第２非線形光学結晶Ｍ２の回転角ａ２、及び、第３非線形光学結晶Ｍ３の回転角ａ３を独立に変化させた場合に非線形光学結晶群から出力されるパルスレーザのエネルギーは、１８０°を一周期として回転角ａ２およびａ３はそれぞれ正弦的に依存し、（ａ２, ａ３）＝（６７．５°，６７．５°）付近または（６７．５°，１５７．５°）付近または（１５７．５°, ６７．５°）付近または（１５７．５°, １５７．５°）付近のときに最大値を取る。
【0083】
図７によれば、第１非線形光学結晶Ｍ１の回転角ａ１を２２.５°に固定し、第２非線形光学結晶Ｍ２の回転角ａ２、及び、第３非線形光学結晶Ｍ３の回転角ａ３を独立に変化させた場合に非線形光学結晶群から出力されるパルスレーザのエネルギー揺らぎσ３は、１８０°を一周期として回転角ａ２およびa３はそれぞれ正弦的に依存し、（ａ２, ａ３）＝（６７．５°，６７．５°）付近または（６７．５°，１５７．５°）付近または（１５７．５°, ６７．５°）付近または（１５７．５°, １５７．５°）付近のときに最小値を取る。図７においては、エネルギー揺らぎσ３そのものの代わりに、パルスレーザＰＬ３ｙの平均エネルギーに対するエネルギー揺らぎσ３の比を相対エネルギー揺らぎΣ３とし、この相対エネルギー揺らぎΣ３をプロットしている。本実施例においては、（ａ２,ａ３）＝（５４°,１６２°）に設定された。このとき、相対エネルギー揺らぎΣ３は、約２．３％であった。
【0084】
図８は、以下のエネルギー変換効率の入力エネルギー依存性を示したグラフである。
【0085】
（１）第１非線形光学結晶Ｍ１からなる非線形光学結晶群におけるｘ偏波からｙ偏波へのエネルギー変換効率、
（２）第２非線形光学結晶Ｍ２からなる非線形光学結晶群におけるｘ偏波からｙ偏波へのエネルギー変換効率、
（３）第３非線形光学結晶Ｍ３からなる非線形光学結晶群におけるｘ偏波からｙ偏波へのエネルギー変換効率、
（４）２個の非線形光学結晶Ｍ１，Ｍ３からなる非線形光学結晶群におけるｘ偏波からｙ偏波へのエネルギー変換効率、
（５）３個の非線形光学結晶Ｍ１～Ｍ３からなる非線形光学結晶群におけるｘ偏波からｙ偏波へのエネルギー変換効率。
（２）第２非線形光学結晶Ｍ２からなる非線形光学結晶群におけるｘ偏波からｙ偏波へのエネルギー変換効率、
（３）第３非線形光学結晶Ｍ３からなる非線形光学結晶群におけるｘ偏波からｙ偏波へのエネルギー変換効率、
（４）２個の非線形光学結晶Ｍ１，Ｍ３からなる非線形光学結晶群におけるｘ偏波からｙ偏波へのエネルギー変換効率、
（５）３個の非線形光学結晶Ｍ１～Ｍ３からなる非線形光学結晶群におけるｘ偏波からｙ偏波へのエネルギー変換効率。
【0086】
図８によれば、１枚の非線形光学結晶からなる非線形光学結晶群におけるエネルギー変換効率は、５％程度であることが分かる。また、図８によれば、２枚の非線形光学結晶からなる非線形光学結晶群におけるエネルギー変換効率は、１０％程度であることが分かる。また、図８によれば、３枚の非線形光学結晶からなる非線形光学結晶群におけるエネルギー変換効率は、１５％程度であることが分かる。すなわち、図８によれば、非線形光学結晶群を構成する非線形光学結晶の枚数を１枚増すごとに、非線形光学結晶群におけるエネルギー変換効率が５％程度ずつ増加することが確かめられる。また、図８は、入力エネルギーを±２０％変化させても、この傾向が維持されることを示している。したがって、３個の非線形光学結晶Ｍ１～Ｍ３を備えたパルス整形装置１は、長期運用において入力エネルギーの変動が生じても、コントラストが高く、エネルギー揺らぎの小さいパルスレーザを、高いエネルギー変換効率で出力し続ける堅牢性を有していることが分かる。
【0087】
（非線形光学結晶のバリエーション）
なお、非線形光学結晶群Ｍを構成する非線形光学結晶Ｍ１～Ｍｎは、ＢａＦ２結晶に限定されず、任意の非線形光学結晶を用いることができる。なかでも下記の表１に示す非線形光学結晶は、高い異方性（χ３）を有すると共に、レーザ光源２から出力されるパルスレーザＰＬの波長において高い透過率及び小さい群速度を示すので、非線形光学結晶群Ｍを構成する非線形光学結晶Ｍ１～Ｍｎとして好適である。
なお、非線形光学結晶群Ｍを構成する非線形光学結晶Ｍ１～Ｍｎは、ＢａＦ２結晶に限定されず、任意の非線形光学結晶を用いることができる。なかでも下記の表１に示す非線形光学結晶は、高い異方性（χ３）を有すると共に、レーザ光源２から出力されるパルスレーザＰＬの波長において高い透過率及び小さい群速度を示すので、非線形光学結晶群Ｍを構成する非線形光学結晶Ｍ１～Ｍｎとして好適である。
【表1】
【0088】
【0089】
本変形例に係るパルス整形装置１Ａは、図１に示すパルス整形装置１に以下の変更を加えたものである。すなわち、パルス整形装置１においては、平凸レンズにより実現されていた第１レンズＬ１及び第２レンズが、パルス整形装置１Ａにおいては、凹面鏡を用いて実現されている。これに伴い、パルス整形装置１においては、Ｉ字型であったパルスレーザの光路が、パルス整形装置１Ａにおいては、第１レンズＬ１及び第２レンズＬ２において折れ曲がったＺ字型になっている。
【0090】
本変形例に係るパルス整形装置１Ａによれば、図１に示すパルス整形装置１と同様の効果が得られる。また、本変形例に係るパルス整形装置１Ａには、図１に示すパルス整形装置１よりも小型化が容易であるというメリットがある。
【0091】
（パルス整形装置の応用例）
高強度・超短パルスレーザは、幅広い産業分野で使用されている。例えば、レーザ加工に高強度・超短パルスレーザを用いることで、熱的影響を抑制した加工が可能になる。その照射時間の短さから、照射箇所の周囲に原子振動により熱が伝わり難いからである。この特性を活かし、高強度・超短パルスレーザによるレーザ加工は、航空機や自動車部品などの精密加工の分野で利用されている。また、構造発色を得るため、或いは、濡れ性向上や摩擦低減などの表面改質のために材料表面に微細構造を形成する際にも、高強度・超短パルスレーザが用いられている。このように、高強度・超短パルスレーザの適用範囲は多岐に亘る。商業用のチタンサファイアレーザを代表とする高強度・超短パルスレーザにパルス整形装置１を適用することによって、高品質のパルスを高安定に供給することが可能になる。
高強度・超短パルスレーザは、幅広い産業分野で使用されている。例えば、レーザ加工に高強度・超短パルスレーザを用いることで、熱的影響を抑制した加工が可能になる。その照射時間の短さから、照射箇所の周囲に原子振動により熱が伝わり難いからである。この特性を活かし、高強度・超短パルスレーザによるレーザ加工は、航空機や自動車部品などの精密加工の分野で利用されている。また、構造発色を得るため、或いは、濡れ性向上や摩擦低減などの表面改質のために材料表面に微細構造を形成する際にも、高強度・超短パルスレーザが用いられている。このように、高強度・超短パルスレーザの適用範囲は多岐に亘る。商業用のチタンサファイアレーザを代表とする高強度・超短パルスレーザにパルス整形装置１を適用することによって、高品質のパルスを高安定に供給することが可能になる。
【0092】
また、パルス整形装置１は、次世代技術への利用も見込まれる。高強度・超短パルスレーザが照射された標的の裏面には、ＴＶ／ｍ級の高強度電場が生成される。この大きな電場勾配を有するレーザ方式を用いることで、従来の高周波方式の加速器の大幅な小型化を図ることができる。加速器の小型化が期待される分野としては、重粒子線がん治療装置（量子メス）が挙げられる。重粒子線がん治療装置の小型化がなされることにより、現在、大都市に偏在した治療施設が全国各地に普及し、より多くの患者に対してより高度な治療を施せるようになる。
【0093】
また、高強度・超短パルスレーザによるイオンの加速メカニズムは、ＴＮＳＡ（Target Normal Sheath Acceleration）と呼ばれる。ＴＮＳＡは、高強度・超短パルスレーザが照射された標的の裏面に生成された高強度電場によって、標的の裏面にあるイオンを真空中へ引き出し加速する技術である。効率良くイオンを加速するには、標的の裏面に強い電場勾配を発生させる必要がある。パルスレーザのコントラスト比が低いと、メインパルスが標的に到達する際に標的の裏面に形成される電場勾配の急峻さが損なわれる。パルス整形装置１を用いれば、標的に照射するパルスレーザのコントラスト比を向上させることができるので、ＴＮＳＡの高効率化を図ることが可能になる。また、パルス整形装置１を用いれば、標的に照射するパルスレーザのエネルギー揺らぎを小さく抑えることができる。この点は、加速するイオンのエネルギー及び粒子数の安定化へとつながるため、将来の医療用加速器の安定的な運用を考える上で重要になる。
【0094】
（付記事項１）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。上述した実施形態に含まれる個々の技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても、本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。上述した実施形態に含まれる個々の技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても、本発明の技術的範囲に含まれる。
【0095】
（付記事項２）
本明細書には、以下の発明も記載されている。
本明細書には、以下の発明も記載されている。
【0096】
発明１：入力パルスレーザの光路上に並んで配置された少なくとも２個の非線形光学結晶からなる非線形光学結晶群を備えており、前記少なくとも２個の非線形光学結晶のうち、前記入力パルスレーザの上流側から数えてｉ番目の非線形光学結晶を第ｉ非線形光学結晶として、第２非線形光学結晶から出力される、偏光方向が前記入力パルスレーザの偏光方向と直交するパルスレーザの相対エネルギー揺らぎが、第１非線形光学結晶から出力される、偏光方向が前記入力パルスレーザの偏光方向と直交するパルスレーザの相対エネルギー揺らぎよりも小さくなるように、第２非線形光学結晶の結晶軸と前記入力パルスレーザの偏光方向との成す角度ａ２が設定されている、ことを特徴とするパルス整形装置。
【0097】
発明１によれば、前記非線形光学結晶群を用いてパルスレーザのコントラスト比を向上させることができる。しかも、上記の構成によれば、従来のパルス整形装置（第２非線形光学結晶における、偏光方向が前記入力パルスレーザの偏光方向と平行なパルスレーザから、偏光方向が前記入力パルスレーザの偏光方向と直交するパルスレーザへのエネルギー変換効率を最大化するように角度ａ２が設定されている）と比べて、前記非線形光学結晶群から出力されるパルスレーザの相対エネルギー揺らぎを小さく抑えることができる。
【0098】
発明２：第２非線形光学結晶から出力される、偏光方向が前記入力パルスレーザの偏光方向と直交するパルスレーザの相対エネルギー揺らぎが最小になるように、前記角度ａ２が設定されている、ことを特徴とする前記発明１に記載のパルス整形装置。
【0099】
発明２によれば、前記非線形光学結晶群から出力されるパルスレーザの相対エネルギー揺らぎを更に小さく抑えることができる。
【0100】
発明３：入力パルスレーザの光路上に並んで配置された少なくとも２個の非線形光学結晶からなる非線形光学結晶群を用いて、前記入力パルスレーザのコントラスト比を向上させるパルス整形方法であって、前記少なくとも２個の非線形光学結晶のうち、前記入力パルスレーザの上流側から数えてｉ番目の非線形光学結晶を第ｉ非線形光学結晶として、第２非線形光学結晶から出力される、偏光方向が前記入力パルスレーザの偏光方向と直交するパルスレーザの相対エネルギー揺らぎが、第１非線形光学結晶から出力される、偏光方向が前記入力パルスレーザの偏光方向と直交するパルスレーザの相対エネルギー揺らぎよりも小さくなるように、第２非線形光学結晶の結晶軸と前記入力パルスレーザの偏光方向との成す角度ａ２を設定する設定工程を含んでいる、ことを特徴とするパルス整形方法。
【0101】
発明３によれば、前記非線形光学結晶群を用いてパルスレーザのコントラスト比を向上させることができる。しかも、発明３によれば、従来のパルス整形方法（第２非線形光学結晶における、偏光方向が前記入力パルスレーザの偏光方向と平行なパルスレーザから、偏光方向が前記入力パルスレーザの偏光方向と直交するパルスレーザへのエネルギー変換効率を最大化するように角度ａ２が設定されている）と比べて、前記非線形光学結晶群から出力されるパルスレーザの相対エネルギー揺らぎを小さく抑えることができる。
【0102】
発明４：前記設定工程において、第２非線形光学結晶から出力される、偏光方向が前記入力パルスレーザの偏光方向と直交するパルスレーザの相対エネルギー揺らぎが最小になるように、前記角度ａ２を設定する、ことを特徴とする発明３に記載のパルス整形方法。
【0103】
発明４によれば、前記非線形光学結晶群から出力されるパルスレーザの相対エネルギー揺らぎを更に小さく抑えることができる。
【0104】
（付記事項３）
【0105】
本発明の態様１に係るパルス整形装置においては、入力パルスレーザの光路上に並んで配置された少なくとも３個の非線形光学結晶からなる非線形光学結晶群を備えている、という構成が採用されている。
【0106】
上記の構成によれば、非線形光学結晶群を用いてパルスレーザのコントラスト比を向上させることができる。しかも、上記の構成によれば、非線形光学結晶群が少なくとも３個の非線形光学結晶により構成されているので、非線形光学結晶群が２個以下の非線形光学結晶により構成された従来のパルス整形装置と比べて、得られるパルスレーザの相対エネルギー揺らぎを小さく抑えることが可能になる。
【0107】
なお、パルスレーザの相対エネルギー揺らぎとは、そのパルスレーザの平均エネルギーに対する、そのパルスレーザのエネルギー揺らぎの比のことを指す。ここで、パルスレーザのエネルギー揺らぎとは、そのパルスレーザに関してパルス毎に測定されたエネルギーの分散のことを指す。また、パルスレーザの平均エネルギーとは、そのパルスレーザに関してパルス毎に測定されたエネルギーの平均値のことを指す。
【0108】
本発明の態様２に係るパルス整形装置においては、態様１に係るパルス整形装置の構成に加えて、前記非線形光学結晶群から出力される、偏光方向が前記入力パルスレーザの偏光方向と直交するパルスレーザの相対エネルギー揺らぎが、前記入力パルスレーザの相対エネルギー揺らぎの５倍以下である、という構成が採用されている。
【0109】
上記の構成によれば、得られるパルスレーザの相対エネルギー揺らぎが、入力パルスレーザのエネルギー揺らぎの５倍以下に抑えられる。
【0110】
本発明の態様３に係るパルス整形装置においては、態様１又は２の何れかに係るパルス整形装置の構成に加えて、前記少なくとも３個の非線形光学結晶のうち、前記入力パルスレーザの上流側から数えてｉ番目の非線形光学結晶を第ｉ非線形光学結晶として、第３非線形光学結晶から出力される、偏光方向が前記入力パルスレーザの偏光方向と直交するパルスレーザの相対エネルギー揺らぎが、第２非線形光学結晶から出力される、偏光方向が前記入力パルスレーザの偏光方向と直交するパルスレーザの相対エネルギー揺らぎよりも小さくなるように、第３非線形光学結晶の結晶軸と前記入力パルスレーザの偏光方向との成す角度ａ３が設定されている、という構成が採用されている。
【0111】
上記の構成によれば、得られるパルスレーザの相対エネルギー揺らぎが、従来のパルス整形装置よりも小さく抑えられる。
【0112】
本発明の態様４に係るパルス整形装置においては、態様３に係るパルス整形装置の構成に加えて、第３非線形光学結晶から出力される、偏光方向が前記入力パルスレーザの偏光方向と直交するパルスレーザの相対エネルギー揺らぎが最小になるように、前記角度ａ３が設定されている、という構成が採用されている。
【0113】
上記の構成によれば、得られるパルスレーザの相対エネルギー揺らぎが、更に小さく抑えられる。
【0114】
本発明の態様５に係るパルス整形装置においては、態様１～４の何れかに係るパルス整形装置の構成に加えて、前記少なくとも３個の非線形光学結晶のうち、前記入力パルスレーザの上流側から数えてｉ番目の非線形光学結晶を第ｉ非線形光学結晶として、第２非線形光学結晶から出力される、偏光方向が前記入力パルスレーザの偏光方向と直交するパルスレーザの相対エネルギー揺らぎが、第１非線形光学結晶から出力される、偏光方向が前記入力パルスレーザの偏光方向と直交するパルスレーザの相対エネルギー揺らぎよりも小さくなるように、第２非線形光学結晶の結晶軸と前記入力パルスレーザの偏光方向との成す角度ａ２が設定されている、という構成が採用されている。
【0115】
上記の構成によれば、得られるパルスレーザの相対エネルギー揺らぎが、従来のパルス整形装置よりも小さく抑えられる。
【0116】
本発明の態様６に係るパルス整形装置においては、態様５に係るパルス整形装置の構成に加えて、第２非線形光学結晶から出力される、偏光方向が前記入力パルスレーザの偏光方向と直交するパルスレーザの相対エネルギー揺らぎが最小になるように、前記角度ａ２が設定されている、という構成が採用されている。
【0117】
上記の構成によれば、得られるパルスレーザの相対エネルギー揺らぎが、更に小さく抑えられる。
【0118】
本発明の態様７に係るパルス整形装置においては、態様１～６の何れかに係るパルス整形装置の構成に加えて、前記少なくとも３個の非線形光学結晶のうち、前記入力パルスレーザの上流側から数えてｉ番目の非線形光学結晶を第ｉ非線形光学結晶として、第１非線形光学結晶における、前記入力パルスパルスレーザから、偏光方向が前記入力パルスレーザの偏光方向と直交するパルスレーザへのエネルギー変換効率が最大になるように、第１非線形光学結晶の結晶軸と前記直線偏光の偏光方向との成す角度ａ１が設定されている、という構成が採用されている。
【0119】
上記の構成によれば、非線形光学結晶群における、入力パルスレーザから、偏光方向が入力パルスレーザの偏光方向と直交するパルスレーザへのエネルギー変換効率を、従来のパルス整形装置と同程度に保つことができる。
【0120】
本発明の態様８に係るパルス整形装置においては、態様１～７の何れかに係るパルス整形装置の構成に加えて、レーザ光源にて生成されたパルスレーザの光路上に配置された第１偏光子と、前記第１偏光子を透過したパルスレーザの光路上に配置された第１レンズと、前記第１レンズの光路上に配置されたピンホールと、前記ピンホールを透過したパルスレーザの光路上に配置された第２レンズと、前記第２レンズを透過したパルスレーザの光路上に配置された第２偏光子と、を更に備え、前記非線形光学結晶群は、前記ピンホールと前記第２レンズとの間に配置されており、前記第１偏光子は、前記非線形光学結晶群に入力される前記入力パルスレーザを透過し、前記第２偏光子は、前記非線形光学結晶群から出力される、偏光方向が前記入力パルスレーザの偏光方向と直交するパルスレーザを透過する、という構成が採用されている。
【0121】
上記の構成によれば、簡単な構成でパルスレーザのコントラスト比を向上させることができる。
【0122】
本発明の態様９に係るパルス整形方法においては、入力パルスレーザの光路上に並んで配置された少なくとも３個の非線形光学結晶からなる非線形光学結晶群を用いて、前記入力パルスレーザのコントラスト比を向上させる、という手法が採用されている。
【0123】
上記の手法によれば、非線形光学結晶群を用いてパルスレーザのコントラスト比を向上させることができる。しかも、上記の構成によれば、非線形光学結晶群が少なくとも３個の非線形光学結晶により構成されているので、非線形光学結晶群が２個以下の非線形光学結晶により構成された従来のパルス整形方法と比べて、得られるパルスレーザの相対エネルギー揺らぎを小さく抑えることが可能になる。
【符号の説明】
【0124】
１ パルス整形装置
Ｐ１ 第１偏光子
Ｌ１ 第１レンズ
Ｃ ピンホール
Ｍ 非線形光学結晶群
Ｍ１～Ｍｎ 非線形光学結晶
Ｌ２ 第２レンズ
Ｐ２ 第２偏光子
１Ａ パルス整形装置（変形例）
２ レーザ光源
Ｐ１ 第１偏光子
Ｌ１ 第１レンズ
Ｃ ピンホール
Ｍ 非線形光学結晶群
Ｍ１～Ｍｎ 非線形光学結晶
Ｌ２ 第２レンズ
Ｐ２ 第２偏光子
１Ａ パルス整形装置（変形例）
２ レーザ光源
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】