特表 2024-526349 レーザーパルススペクトル拡張装置、レーザー光源装置、及びレーザーパルスを生成する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-07-17

(54)【発明の名称】レーザーパルススペクトル拡張装置、レーザー光源装置、及びレーザーパルスを生成する方法

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/10 20060101AFI20240709BHJP

   G02F 1/35 20060101ALN20240709BHJP

【ＦＩ】

H01S3/10 Z

G02F1/35

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024502048

(86)(22)【出願日】2022-07-06

(85)【翻訳文提出日】2024-03-14

(86)【国際出願番号】 EP2022068754

(87)【国際公開番号】W WO2023285241

(87)【国際公開日】2023-01-19

(31)【優先権主張番号】21186050.7

(32)【優先日】2021-07-16

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】500296114

【氏名又は名称】ドイチェス エレクトロネン－シンクロトロン デシー

(71)【出願人】

【識別番号】509255749

【氏名又は名称】ジーエスアイ ヘルムホルツツェントゥルム フュア シュヴェリオーネンフォルシュング ゲーエムベーハー

【氏名又は名称原語表記】ＧＳＩ Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚｚｅｎｔｒｕｍ ｆｕｒ Ｓｃｈｗｅｒｉｏｎｅｎｆｏｒｓｃｈｕｎｇ ＧｍｂＨ

【住所又は居所原語表記】Ｐｌａｎｃｋｓｔｒａｓｓｅ １ ６４２９１ Ｄａｒｍｓｔａｄｔ ＧＥＲＭＡＮＹ

(74)【代理人】

【識別番号】100119677

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 賢治

(74)【代理人】

【識別番号】100115794

【弁理士】

【氏名又は名称】今下 勝博

(74)【代理人】

【識別番号】100160495

【弁理士】

【氏名又は名称】畑 雅明

(74)【代理人】

【識別番号】100173716

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 真理

(72)【発明者】

【氏名】ヘイル、クリストフ

(72)【発明者】

【氏名】ラング、ティノ

(72)【発明者】

【氏名】ザイデル、マルクス

【テーマコード（参考）】

2K102

5F172

【Ｆターム（参考）】

2K102AA10

2K102BA18

2K102BB02

2K102BC01

2K102DB01

2K102DD00

2K102DD10

2K102EB02

2K102EB20

2K102EB30

5F172AE03

5F172AF06

5F172NN17

5F172NR12

5F172NR21

(57)【要約】

レーザーパルス（１Ａ）のスペクトルを拡張するレーザーパルススペクトル拡張装置（１００）は、複数のミラー素子を有するマルチパスセル装置（１０）であって、複数のミラー素子は、マルチパスセル装置（１０）の入力部から出力部まで延びるビーム経路（２）を提供するために配置され、ミラー素子は、凹状の湾曲を有する集束ミラー素子を含む、マルチパスセル装置（１０）と、パルススペクトル拡張装置（２０）を通るレーザーパルスのスペクトルを拡張するためにビーム経路（２）内に配置されている少なくとも１つの非線形光学媒質（２１）を含む、パルススペクトル拡張装置（２０）とを備え、ミラー素子は、パルススペクトル拡張装置（２０）を通る、ビーム経路（２）の複数の通路を提供する構成を有し、ミラー素子は、平面に近い形状を有する折返しミラー素子を更に含み、折返しミラー素子（１１、１２）の曲率半径の絶対値は、１０ｍより大きく、折返しミラー素子は、ビーム経路（２）の折返しコリメーション部（３）を隔てて広がっており、ビーム経路（２）は、コリメーション部（３）全体に沿ってある程度のコリメーションを、コリメーション部（３）における累積コリメーション部グイ位相パラメータＧ_ｃｏｌがπ／１５＜Ｇ_ｃｏｌ＜π／／２になるように有し、ミラー素子は、ｎを自然数とするとき、マルチパスセル装置（１０）を通って半往復する毎の累積半往復グイ位相パラメータＧ_ｈｒｔが、ｎ＊π／／２とは異なるように配置される。さらに、レーザーパルススペクトル拡張装置（１００）を使用する、レーザー光源装置及びレーザーパルス（１Ｂ）を生成する方法が説明される。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザーパルス（１Ａ）のスペクトルを拡張するように構成される、レーザーパルススペクトル拡張装置（１００）であって、
－マルチパスセル装置（１０）であって、前記マルチパスセル装置（１０）の入力部から出力部まで延びるビーム経路（２）を提供するために配置された複数のミラー素子（１１、１２、１５、１６）を含み、前記ミラー素子は、凹状の湾曲を有する集束ミラー素子（１５、１６、１７、１８）を含む、マルチパスセル装置（１０）と、
－パルススペクトル拡張装置（２０）であって、前記パルススペクトル拡張装置（２０）を通る前記レーザーパルスのスペクトルを拡張するために構成され、且つ前記ビーム経路（２）内に配置される、少なくとも１つの非線形光学媒質（２１、２２、２３）を含み、前記ミラー素子（１１、１２、１５、１６）は、前記パルススペクトル拡張装置（２０）を通る、前記ビーム経路（２）の複数の通路を提供する構成を有する、パルススペクトル拡張装置（２０）と
を備え、
－前記ミラー素子は、平面に近い形状を有する折返しミラー素子（１１、１２）を更に含み、前記折返しミラー素子（１１、１２）の曲率半径の絶対値が１０ｍよりも大きく、前記折返しミラー素子（１１、１２）は、前記ビーム経路（２）の折返しコリメーション部（３）を隔てて広がっており、前記ビーム経路（２）は、前記コリメーション部（３）全体に沿ってある程度のコリメーションを、前記コリメーション部（３）における累積コリメーション部グイ位相パラメータＧ_ｃｏｌがπ／１５＜Ｇ_ｃｏｌ＜π／２になるように有し、
－前記ミラー素子（１１、１２、１５、１６）は、ｎを自然数とするとき、前記マルチパスセル装置（１０）を通って半往復する毎の累積半往復グイ位相パラメータＧ_ｈｒｔが、ｎ＊π／２とは異なるように配置される、
ことを特徴とする、レーザーパルススペクトル拡張装置（１００）。

【請求項2】

－前記集束ミラー素子（１５、１６）は、前記ビーム経路（２）の集束部（４）を隔てて広がっており、前記集束部（４）は、前記ビーム経路（２）の少なくとも１つの焦点を含み、
－前記コリメーション部（３）と前記集束部（４）とは、互いに隣接して配置され、前記ビーム経路（２）が、前記折返しミラー素子（１１、１２）によって折り返され、前記コリメーション部（３）及び前記集束部（４）は、前記レーザーパルスが前記コリメーション部（３）を交互に通過するように配置され、前記レーザーパルスは、前記折返しミラー素子（１１、１２）と前記集束部（４）との間で複数回反射される、
請求項１に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項3】

－前記光ビーム経路（２）は、前記集束ミラーのうちの１つ（１７）から、前記折返しコリメーション部（３）を経由して、前記集束ミラーのうちのもう１つ（１８）までの第１の長さＬ_２を有し、該長さＬ_２は、前記集束部（４）を経由した前記集束ミラー（１７、１８）間の復路の第２の長さＬ_１とは異なっており、Ｌ_２≧Ｌ_１である、
請求項２に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項4】

－前記集束ミラー素子（１５、１６）は、前記コリメーション部（３）の端部を反射して前記コリメーション部（３）へ戻すように配置され、
－前記ビーム経路（２）には、焦点がなく、
－前記マルチパスセル装置（１０）は、前記累積半往復グイ位相パラメータＧ_ｈｒｔを有し、π／１５＜Ｇ_ｈｒｔ＜π／２である、
請求項１に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項5】

－前記コリメーション部（３）に沿った前記光ビーム経路（２）は、複数回折り返される、
請求項１～４の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項6】

－前記パルススペクトル拡張装置（２０）は、前記コリメーション部（３）内に配置される、
請求項１～５の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項7】

－前記パルススペクトル拡張装置（２０）は、前記集束ミラー素子（１５、１６）のうちの少なくとも１つに近接して配置される、
請求項１～６の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項8】

－前記パルススペクトル拡張装置（２０）は、複数の非線形光学媒質（２１、２２、２３）を含む、
請求項１～７の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項9】

－前記パルススペクトル拡張装置（２０）は、前記マルチパスセル装置（１０）全体を満たすガス媒質（２３）を含む、
請求項１～８の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項10】

－前記折返しミラー素子（１１、１２）は、互いに距離を隔てて配置された２つの折返しミラー（１３、１４）の反射部によって提供される、
請求項１～９の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項11】

－前記折返しミラー素子（１１、１２）は、前記折返しミラー（１３、１４）の重複部である、
請求項１０に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項12】

－前記集束ミラー素子（１５、１６）は、互いに距離を隔てて配置された２つの集束ミラー（１７、１８）の反射部によって提供される、
請求項１～１１の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項13】

－前記集束ミラー素子（１５、１６）は、前記集束ミラー（１７、１８）の重複部である、
請求項１２に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項14】

－前記折返しミラー素子（１１、１２）は、第１のグループの折返しミラー及び第２のグループの折返しミラーによって提供され、前記第１及び第２のグループの折返しミラーは、互いに距離を隔てて配置される、
請求項１～１３の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項15】

－前記集束ミラー素子（１５、１６）は、第１のグループの集束ミラー及び第２のグループの集束ミラーによって提供され、前記第１及び第２のグループの集束ミラーは、互いに距離を隔てて配置される、
請求項１～１４の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項16】

－前記折返しミラー素子（１１、１２）は、１行又は複数行のマルチパスパターン（５）を提供し、且つ／或いは前記集束ミラー素子（１５、１６）は、１行又は複数行のマルチパスパターン（６）を提供する、
請求項１～１５の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項17】

－前記折返しミラー素子（１１、１２）は、円形又は楕円形のマルチパスパターン（７）を提供する、
請求項１～１６の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項18】

－前記集束ミラー素子（１５、１６）は、円形又は楕円形のマルチパスパターン（８）を提供する、
請求項１～１７の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項19】

－前記折返しミラー素子（１１、１２）は、Ｖ構成で配置され、前記折返しミラー素子（１１、１２）の法線方向が、ゼロとは異なる傾斜角を有する、
請求項１～１８の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項20】

－前記非線形光学媒質（２１、２２）は、前記拡張レーザーパルス（１Ａ）の全スペクトル範囲で透明である、少なくとも１つの透明板を含む、
請求項１～１９の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項21】

－前記ミラー素子（１１、１２、１３、１４）のうちの少なくとも１つは、チャープミラー素子である、
請求項１～２０の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項22】

－前記マルチパスセル装置（１０）は、非線形媒質としてのガス（２３）で満たされたチャンバ（３０）内に配置される、
請求項１～２１の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項23】

レーザーパルスを生成するように構成される、レーザー光源装置（２００）であって、
－一次レーザーパルスを生成するために配置されるレーザー光源（２１０）と、
－前記一次レーザーパルスを受光するため、且つスペクトルを拡張するために配置されている、請求項１～２２の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置（１００）とを備える、
レーザー光源装置（２００）。

【請求項24】

－前記レーザー光源のビームモードが、前記少なくとも１つの非線形光学媒質（２１、２２、２３）のレンズ効果を考慮した非線形動作条件で、又は線形動作条件で、前記マルチパスセル装置（１０）によって規定された光場モードと整合する、
請求項２３に記載のレーザー光源装置。

【請求項25】

－スペクトル拡張レーザーパルスを受光するため、且つ時間的に圧縮するためのパルス圧縮装置（２２０）が配置される、
請求項２３～２４の一項に記載のレーザー光源装置。

【請求項26】

－レーザー光源（２１０）で、一次レーザーパルス（１Ａ）を生成するステップと、
－請求項１～２２の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置（１００）で、前記一次レーザーパルス（１Ａ）をスペクトル拡張するステップと、
－スペクトル拡張レーザーパルス（１Ｂ）を出力するステップとを含む、
レーザーパルス（１Ｂ）を生成する方法。

【請求項27】

－前記レーザー光源（２１０）のビームモードを、前記マルチパスセル装置（１０）によって規定された光場モードと整合させる、更に別のステップを含む、
請求項２６に記載の方法。

【請求項28】

－パルス圧縮装置（２２０）で、前記スペクトル拡張レーザーパルス（１Ｂ）を時間的に圧縮する、更に別のステップを含む、
請求項２６～２７の一項に記載の方法。

【請求項29】

－前記マルチパスセル装置（１０）で、前記スペクトル拡張レーザーパルスを時間的に圧縮する、更に別のステップを含む、
請求項２６～２８の一項に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザーパルスのスペクトルを拡張するためのレーザーパルススペクトル拡張装置に関する。さらに、本発明は、レーザーパルススペクトル拡張装置を備えるレーザー光源装置、及びレーザーパルススペクトル拡張装置が使用される、レーザーパルスを生成する方法に関する。本発明の用途は、例えばレーザー技術の分野、特に、高出力のレーザー装置及び光学系で使用可能である。

【背景技術】

【0002】

本明細書では、本発明の技術背景を説明する、以下の先行技術が参照される。
［１］ Ｔ．Ｎａｇｙ ｅｔ ａｌ．ｉｎ「Ａｄｖ．Ｐｈｙｓｉｃｓ」Ｘ ６，１８４５７９５（２０２０）．
［２］ Ｊ．Ｓｃｈｕｌｔｅ ｅｔ ａｌ．ｉｎ「Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．」４１，４５１１（２０１６）；
［３］ Ｌ．Ｌａｖｅｎｕ ｅｔ ａｌ．ｉｎ「Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．」４３，２２５２（２０１８）；
［４］ Ｃ．Ｇｒｅｂｉｎｇ ｅｔ ａｌ．ｉｎ「Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．」４５，６２５０（２０２０）；
［５］ Ｍ．Ｋａｕｍａｎｎｓ ｅｔ ａｌ．ｉｎ「Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．」４３，５８７７（２０１８）；
［６］ Ｐ．Ｂａｌｌａ ｅｔ ａｌ．ｉｎ「Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．」４５，２５７２（２０２０）；
［７］ Ｊ．Ｓｏｎｇ ｅｔ ａｌ．ｉｎ Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｂ １２７，５０（２０２１）；
［８］ Ｋ．Ｆｒｉｔｓｃｈ ｅｔ ａｌ．ｉｎ「Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．」４３，４６４３（２０１８）；
［９］ Ｊ．Ｗｅｉｔｅｎｂｅｒｇ ｅｔ ａｌ．ｉｎ「Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ」２５，２０５０２（２０１７）；
［１０］ Ｍ．Ｋａｕｍａｎｎｓ ｅｔ ａｌ．ｉｎ「Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．」４６，９２９，（２０２１）；
［１１］ Ｅ．Ａ．Ｋｈａｚａｎｏｖ ｅｔ ａｌ．ｉｎ「Ｐｈｙｓｉｃｓ－Ｕｓｐｅｋｈｉ」６２，１０９６（２０１９）；
［１２］ Ｃ．Ｈｅｙｌ ｅｔ ａｌ．ｉｎ「Ｏｐｔｉｃａ」３，７５（２０１６）；
［１３］ Ｄ．Ｒ．Ｈｅｒｒｉｏｔｔ ｅｔ ａｌ．ｉｎ「Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ」３４，１３４０（２０１７）；
［１４］ Ｇ．Ｓ．Ｅｎｇｅｌ ｅｔ ａｌ．ｉｎ「Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．」３２，７０４（２００７）；
［１５］ Ｆ．Ｇｕｉｃｈａｒｄ ｅｔ ａｌ．ｉｎ「Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」Ｖｏｌ．３８，Ｉｓｓｕｅ ２１，ｐｐ．４４３７－４４４０（２０１３）；
［１６］ Ａ．Ｋｌｅｎｋｅ ｅｔ ａｌ．ｉｎ「Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」Ｖｏｌ．３９，Ｉｓｓｕｅ １２，ｐｐ．３５２０－３５２２（２０１４）；
［１７］ 米国特許第９８４７６１５号明細書（米国特許出願公開第２０１７／０１２５９６４号明細書）；
［１８］ Ｍ．Ｓｔａｎｆｉｅｌｄ ｅｔ ａｌ．ｉｎ「Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ」２９（６），９１２３（２０２１）；
［１９］ Ｍ．Ｕｅｆｆｉｎｇ ｅｔ ａｌ．ｉｎ「Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」４３，２０７０（２０１８）

【0003】

超短レーザーパルスは、時間及び周波数領域分光法並びに強度場物理から、外科手術及び溶接を含む日常生活用途まで、多くの分野で重要な役割を果たしている。超短パルスの生成及び増幅には、帯域幅制限によって課される、持続時間の制約がある。特にｍＪレジーム以上のパルスエネルギーをもたらす、最も一般的な超高速プラットフォームは、今日ではチタン：サファイア（Ｔｉ：Ｓａ）及びイッテルビウム（Ｙｂ）に基づいたシステムであり、数十ｆｓ（Ｔｉ：Ｓａ）から数百ｆｓ（Ｙｂ）までの持続時間で増幅されたパルスを提供する。この制限を克服する一般的な方法がレーザーパルス事後圧縮［１］であり、事後圧縮方法は、１つの半周期の持続時間によって規定された、基本的なパルス持続時間制限に近づく手段を提供する。知られている事後圧縮方法は、非線形スペクトル拡張、及びパルスの同時又は後発のいずれかの時間的な圧縮に依存する。

【0004】

様々なスペクトル拡張方法が一般に使用されており［１］、拡張方法は、単一又は複数のプレート内、フォトニック結晶ファイバ又は中空コアキャピラリ（ＨＣＣ）内、フィラメント又はスラブ導波路の非線形伝搬を含む。近年、マルチパスセル（ＭＰＣ）内での非線形スペクトル拡張に基づいた方法が導入された［２］。この方法は、高透過率［３、４］、高出力処理［４］高ビーム品質［３、５］、及び高圧縮比［５、６］をもたらし、その一方で、１０ｐｓ［７］～数周期［６、８］の持続時間、及びμＪ［９］～１１２ｍＪ［１０］のパルスエネルギーを含む多様なレーザーパルスパラメータに適用可能である。

【0005】

今のところ、主な課題は高パルスエネルギーに対する高性能な事後圧縮方法の適用である。特に、ジュール級のパルスエネルギーレジームへと進歩しつつある事後圧縮方法により、チャープパルス増幅［１１］のピークパワー限界を克服する可能性がある、強度場物理への適用が可能になる可能性がある。ＨＣＣ、ＭＰＣ、又はフィラメントに基づいた方法などの手法は、原理上、非常に高いパルスエネルギーにスケーリングすることが可能な一方で［１２］、必要な装置サイズが非実用的な大きさになる。一例として、従来のヘリオット型ＭＰＣでは、ミラーで生じる高強度は、ミラー上のビームスポットを大きくすることによって回避される。ビームスポットを大きくするには、レーザービームモードがＭＰＣの固有モードに整合した状態を維持するために装置サイズの延長が必要になり、これには良好なスペクトル拡張性能を達成する利点がある。代替的なパルスエネルギースケーリング手法が薄膜に使用されており、ジュール級のパルスを使って試されている［１１］。しかしながら、このような方法は、ファイバ及びＭＰＣに基づいた方法と比較してビーム品質の低下に悩まされており、今のところ小さい圧縮係数にしか達していない。

【0006】

高パルスエネルギースペクトル拡張／圧縮の他の知られている方法は、空間的及び／又は時間的パルス多重化（［１５］、［１６］を参照）、及び高次ビームモード［１０］を使用している。これらの方法は、ミラーにおける強度が低下し、従ってパルスエネルギーを高めるが、用途に対して好ましくないことが多いパルス分割又はモード変更を必要とする。さらに、多重化方法は、特に多重化係数が大きいとシステムの複雑性が増す。

【0007】

レーザーパルスのスペクトルを拡張し、且つ非線形パルス圧縮をするためのマルチパスセル装置が［１７］で説明されている。マルチパスセル装置は、排他的に集束したビーム経路で光共振器に広がる、曲面ミラーを備える。誘電体の臨界出力に満たないパルス出力の限界を克服するために、スペクトルを拡張するために提供される非線形位相は、非線形性のない集束ビーム経路の部分毎に分離された小さいステップに分割される。曲面ミラーは、マルチパスセル装置が、光共振器の安定性エッジに近い安定性範囲内で動作されるように構成される。この構成に必要なグイ位相パラメータにより、いわゆる４ｆ結像、及び対応するビームサイズ変更のオプションは、［１７］のマルチパスセル装置では除外される。［１７］のマルチパスセル装置の集束ビーム経路は、折返しミラーによって折り返され得る。それでもなお、このマルチパスセル装置はまだ、［１７］では２０ｍＪに達する場合がある、より高いパルスエネルギーにスケーリングするのに必要な、装置サイズの大型化の問題を抱えている。

【0008】

非実用的なほど大きい装置サイズを必要とすることなく、使用されているミラーの全部又は少なくとも一部でビームサイズを大きくすることが可能なマルチパススペクトル拡張装置が、［１８、１９］で説明されている。［１７］とは対照的に、これらの方法は、必然的に、ゼロに近いグイ位相で完全にコリメートされたビーム経路部分を含む４ｆ結像構成を使用しつつ、装置サイズを調節することなくビームサイズを変更することが可能である。エネルギースケーリングは、ミラー上のスポットサイズを調節することによって得られる。しかしながら、４ｆ結像は、安定性範囲のエッジでの動作を必要とすると同時に、累積的なカーレンズ効果につながる結像条件をもたらし、光共振器内でビーム品質を損なう。［１８、１９］で説明されている装置は、小型の装置サイズでのエネルギースケーリングをサポートするが、大きい圧縮係数と良好なビーム品質とを同時にはサポートせず、従って大きい圧縮係数で動作しているときに、良好なビーム品質を提供しながら高エネルギーパルスを圧縮するのには適していない。

【0009】

要約すると、従来の事後圧縮方法では、例えば５ｍを下回る長さの実験室規模の装置サイズを使用しながら、マルチ１００ｍＪパルスなどの高エネルギーパルスを、１０以上などの大きい圧縮比で処理できるものはない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】米国特許第９８４７６１５号明細書

【特許文献2】米国特許出願公開第２０１７／０１２５９６４号明細書

【非特許文献】

【0011】

【非特許文献1】Ｔ．Ｎａｇｙ ｅｔ ａｌ．，Ａｄｖ．Ｐｈｙｓｉｃｓ：Ｘ（２０２０），６，１８４５７９５

【非特許文献2】Ｊ．Ｓｃｈｕｌｔｅ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．（２０１６），４１，４５１１

【非特許文献3】Ｌ．Ｌａｖｅｎｕ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．（２０１８），４３，２２５２

【非特許文献4】Ｃ．Ｇｒｅｂｉｎｇ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．（２０２０），４５，６２５０

【非特許文献5】Ｍ．Ｋａｕｍａｎｎｓ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．（２０１８），４３，５８７７

【非特許文献6】Ｐ．Ｂａｌｌａ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．（２０２０），４５，２５７２

【非特許文献7】Ｊ．Ｓｏｎｇ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｂ（２０２１），１２７，５０

【非特許文献8】Ｋ．Ｆｒｉｔｓｃｈ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．（２０１８），４３，４６４３

【非特許文献9】Ｊ．Ｗｅｉｔｅｎｂｅｒｇ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ（２０１７），２５，２０５０２

【非特許文献10】Ｍ．Ｋａｕｍａｎｎｓ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．（２０２１），４６，９２９

【非特許文献11】Ｅ．Ａ．Ｋｈａｚａｎｏｖ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈｙｓｉｃｓ－Ｕｓｐｅｋｈｉ（２０１９），６２，１０９６

【非特許文献12】Ｃ．Ｈｅｙｌ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔｉｃａ（２０１６），３，７５

【非特許文献13】Ｄ．Ｒ．Ｈｅｒｒｉｏｔｔ ｅｔ ａｌ．，Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ（２０１７），３４，１３４０

【非特許文献14】Ｇ．Ｓ．Ｅｎｇｅｌ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．（２００７），３２，７０４

【非特許文献15】Ｆ．Ｇｕｉｃｈａｒｄ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．３８，ｉｓｓｕｅ ２１，２０１３，ｐｐ．４４３７－４４４０

【非特許文献16】Ａ．Ｋｌｅｎｋｅ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．３９，ｉｓｓｕｅ １２，２０１４，ｐｐ．３５２０－３５２２

【非特許文献17】Ｍ．Ｓｔａｎｆｉｅｌｄ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ，ｖｏｌ．２９，ｉｓｓｕｅ ６，２０２１，ｐｐ．９１２３－９１３６

【非特許文献18】Ｍ．Ｕｅｆｆｉｎｇ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ（２０１８），４３，２０７０

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

本発明の目的は、従来技術の欠点を回避する、レーザーパルスのスペクトルを拡張するための改良されたレーザーパルススペクトル拡張装置、改良されたレーザー光源装置、及び／又はレーザーパルスを生成する改良された方法を提供することである。特に、小型の構成、例えば数１００ｍＪ以上の増加したパルスエネルギー、且つ／又は大きい圧縮比でのレーザーパルス拡張が可能になり、特に、複雑な空間的及び時間的多重化方法を必要としない。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明の目的は、それぞれが独立クレームの特徴を含む、レーザーパルススペクトル拡張装置、レーザー光源装置、及び／又はレーザーパルスを生成する方法によって達成される。本発明の好ましい実施形態及び用途は、従属クレームから生じる。

【0014】

本発明の第１の一般的な態様によれば、上述の目的は、レーザーパルスのスペクトルを拡張するように構成される、レーザーパルススペクトル拡張装置によって達成される。レーザーパルススペクトル拡張装置は、マルチパスセル装置であって、マルチパスセル装置の入力部から出力部まで延びるビーム経路を提供するために配置された複数のミラー素子を含むマルチパスセル装置を備える。入力部及び出力部は、例えば、ミラー素子のうちの１つにある穴によって、又はビーム経路内に配置された追加のピックオフミラーによって提供されてもよい。ミラー素子は、凹状の湾曲を有する集束ミラー素子を含む。さらに、レーザーパルススペクトル拡張装置は、パルススペクトル拡張装置を通るレーザーパルスのスペクトルを拡張するように構成され、且つビーム経路内に配置される少なくとも１つの非線形光学媒質を含むパルススペクトル拡張装置を備え、ミラー素子は、パルススペクトル拡張装置を通るビーム経路の複数の通路を提供する構成を有する。

【0015】

本発明によれば、ミラー素子は、平面に近い形状を有する折返しミラー素子をさらに含み、折返しミラー素子は、ビーム経路の折返しコリメーション部に広がっており、ビーム経路は、コリメーション部全体に沿ってある程度のコリメーションを、コリメーション部における累積コリメーション部グイ位相パラメータＧ_ｃｏｌがπ／１５＜Ｇ_ｃｏｌ＜π／２になるように有する。言い換えると、ミラー素子の構成、特に、折返しミラー素子の平面に近い形状は、ビーム経路がコリメーション部全体に沿ってほぼコリメートされるように選択される。したがって、マルチパスセル装置は、折返しコリメーション部で構成され、即ち折返しミラー素子は、マルチパスセル装置内のビーム経路の一部が平行に近い形状を有するように、配置且つ形成される。コリメーション部における累積グイ位相は、特に、長い伝搬距離によって決定され、これは、コリメーション部を折り返すことによって得られる。

【0016】

さらに、本発明によれば、ミラー素子は、ｎを自然数とするとき、マルチパスセル装置を通って半往復する毎の累積半往復グイ位相パラメータＧ_ｈｒｔが、ｎ＊π／２とは異なるように配置される。累積半往復グイ位相パラメータＧ_ｈｒｔは、例えば、コリメーション部の中央から、１つの集束ミラーを経由して集束部の中央まで、マルチパスセル装置を通って半往復する毎に計算されてもよい。

【0017】

コリメーション部において、マルチパスセル装置は、平行に近い（１つ又は複数の）光場モードの外形を有する。「ほぼコリメートされる」又は「平行に近い」という言葉は、理想的な平行ビーム経路形状から、即ちグイ位相パラメータＧ≒０のレーザーパルスのビーム経路からずれたビーム経路形状のことをいう。特に、コリメーション部全体に沿ったコリメーションの度合いは、理想的なコリメーションからずれており、結果、［１８］又は［１９］のような４ｆ結像構成（安定性エッジでの動作と等価）が妨げられる。理想的な平行ビーム経路形状からのずれは、マルチパスセル装置内での結像から、及びマルチパスセル装置内でビーム経路を空間的に安定して折り返すように適合されている折返しミラー形状から生じる。コリメーション部は、上述した累積コリメーション部グイ位相パラメータＧ_ｃｏｌによって決定された、ビーム経路の弱い焦点を含む。したがって、折返しミラー素子は、平面に近い形状を有し、「平面に近い」という言葉は、平面反射面、又はマルチパスセル装置内でレーザーパルスが空間的に安定してマルチパス循環できるように曲率半径が選択されている、凹状若しくは凸状の反射面のことをいう。好ましくは、平面に近い折返しミラー素子の曲率半径の絶対値は、１０ｍよりも大きい。

【0018】

半往復グイ位相パラメータＧ_ｈｒｔをｎ＊π／２とは異なる値に制限すること、及びより具体的にはＧ_ｃｏｌ＞π／１５にすることにより、安定性エッジに近いところにおいて、マルチパスセル装置の動作を妨げ、大きい圧縮係数が目標とされた場合は、均質な空間的ビームプロファイルを形成することができなくなる。安定性エッジに非常に近いところでの動作は、非線形媒質が空間的ビームプロファイルの歪みを引き起こすことにより、カーレンズの累積的な影響が生じる。Ｇ_ｃｏｌ＜π／２に制限することにより、折返しミラー上のビームスポットが小さくなって、ミラーが高パルスエネルギーで損傷するようなレジームでの動作を防止する。

【0019】

本発明の第２の一般的な態様によれば、上述の目的は、レーザーパルスを生成するように構成されるレーザー光源装置によって達成され、レーザー光源装置は、一次レーザーパルスを生成するために配置されるレーザー光源と、本発明の第１の一般的な態様又はその実施形態に係るレーザーパルススペクトル拡張装置とを備え、レーザーパルススペクトル拡張装置は、一次レーザーパルスを受光するため、且つスペクトルを拡張するために配置される。好ましくは、レーザー光源のビームモードは、特に、少なくとも１つの非線形媒質のレンズ効果を考慮した非線形動作条件、又は線形動作条件で、レーザーパルススペクトル拡張装置のマルチパスセル装置によって規定された光場モード、特に好ましくは固有モードと整合される。さらに、特に好ましくは、マルチパスセル装置自体は、スペクトル拡張レーザーパルスを時間的に圧縮するために配置され、且つ／又はマルチパスセル装置と接続されているパルス圧縮装置は、スペクトル拡張レーザーパルスを受光するため且つ時間的に圧縮するために配置される。

【0020】

本発明の第３の一般的な態様によれば、上述の目的は、レーザーパルスを生成する方法によって達成され、方法は、レーザー光源で一次レーザーパルスを生成するステップと、本発明の第１の一般的な態様又はその実施形態に係るレーザーパルススペクトル拡張装置で、一次レーザーパルスのスペクトルを拡張するステップとを含む。好ましくは、レーザー光源のビームモードは、レーザーパルススペクトル拡張装置のマルチパスセル装置によって規定された光場モードと整合される。特に好ましくは、レーザーパルスを生成するステップは、レーザーパルススペクトル拡張装置のマルチパスセル装置で、及び／又は別のパルス圧縮装置で、スペクトル拡張レーザーパルスを時間的に圧縮するステップを含む。

【0021】

本発明では、発明者は、モード整合したレーザーパルス循環を可能にする新しいマルチパスセル装置構成、即ち空間的レーザービームプロファイルを、マルチパスセル装置を通ってそれぞれ循環した後に反復する、マルチパスセル装置の安定性範囲内での新しい動作構成を見出した。好適には、好ましくは４つ（又はより多く）のミラー形状を使用して、マルチパスセル装置は、マルチパスセル装置の全てのミラー素子で、より大きいレーザービーム径が達成されるように配置される。折返しコリメーション部により、マルチパスセル装置を通って循環する毎に長い伝搬経路が得られ、従って、全ての折返しミラー素子において、大きいビームサイズ及び大きいレーザービームスポットサイズを有する構成が可能になり、従来技術で知られているＭＰＣに基づいたスペクトル拡張の全ての利点を利用しながら、高パルスエネルギーを得ることが可能になる。従来技術とは対照的に、当該マルチパスセル装置は、持続時間がｐｓ又はｆｓレジームの、スポットサイズが＞１Ｊ級のレーザーパルスをサポートするスペクトル拡張用途に適している。

【0022】

特に、［１７］とは対照的に、平面に近い折返しミラーは、強いビーム経路焦点を含まず、従ってミラー上に大きいスポットサイズをもたらすことが可能である。また、本発明は、集束及び／又は折返しミラーにおける、特に小さくまとまって、特に相互に重なる、ビームスポットの幾何学的配置によって、ミラー素子毎に複数の大きいビームスポットをもたらすにもかかわらず、比較的小型のミラーサイズの使用を可能にする。さらに、マルチパスセル装置におけるコリメーション部の提供により、ビームを折り返す幾何学的配置の使用が可能になり、結果としてレーザーパルススペクトル拡張装置が、小さくまとまった構成になる。好適には、本発明で使用されるマルチパスセル装置は、従来のヘリオット型ＭＰＣ又は大型コアキャピラリのように、装置の最大寸法を必ずしもパルスエネルギーに合わせてスケーリングする必要がないという特徴を有する。

【0023】

本発明は、マルチパスセル装置内に配置された少なくとも１つの非線形光学媒質を通る複数の通路を介した、レーザーパルスの反復性非線形スペクトル拡張に依存し、好ましくは、例えば標準的な時間的なパルス圧縮方法を使用した再圧縮が伴う且つ／又は後に続く。当該マルチパスセル装置は、マルチパスセル装置を形成している全てのミラーで十分に大きいレーザービーム径が達成されることを可能にし、従って、従来技術で最大パルスエネルギーを制限しているミラーの損傷を緩和する。さらに、発明者は、ＴＷ級のレーザーパルスの効率的な圧縮が期待できる、ジュール級のレーザーパルスへのアップスケーリングのオプションを概説しながらスケーリング手段を提供し、極端非線形工学及び高強度場物理に新しい視野をもたらす一方で、例えば［１０］による従来技術のシステムと比較して、最大装置寸法が低減され得る。

【0024】

本発明の更に別の態様として、本発明によって使用される全てのマルチパスセル装置では、例えば［１２］で述べられているような幾何学的なスケーリング関係を適用することによって容易にパルスエネルギーのスケーリングがされることが可能であり、当該スケーリングは特に、ガスで満たされたマルチパスセル装置について、装置長さＬ及びミラー曲率半径Ｒの、Ｅに対する線形スケーリング（即ちＬ～Ｅ及びＲ～Ｅ）、並びにガス密度ρ（即ちρ～１／Ｅ）の逆スケーリングを概説している。バルク非線形媒質を使用しているマルチパスセルの場合、同様のスケーリング手法が適用されてもよい。これにより、装置サイズを大きくして、更にエネルギーのアップスケーリングをすることが可能になる。また、遥かに小さい装置サイズに同じ装置構成を適用することによって、特に、ｍＪ～μＪのレジームの小さいパルスエネルギー用など、ｃｍの範囲内の特徴的な寸法を有する非常に小型の事後圧縮装置が構成され得る。

【0025】

本発明の好ましい実施形態（以下では第１の実施形態）によれば、集束ミラー素子はビーム経路の集束部を隔てて広がっており、集束部は、ビーム経路の少なくとも１つの焦点を含む。さらに、第１の実施形態によれば、コリメーション部と集束部とは、互いに隣接して配置され、ビーム経路が折返しミラー素子によって折り返され、レーザーパルスは、コリメーション部及び集束部を交互に通過する。集束部は、好ましくはマルチパスセル装置のマルチパス部分を提供し、集束ミラー素子は、集束ミラーの各対の間でパス毎に１つの単一焦点でビーム経路を複数回、例えば５～１０回以上反射するように配置される。好適には、集束部が提供されることによって、０＜Ｇ_ｈｒｔ＜π／２又はπ／２＜Ｇ_ｈｒｔ＜πの半往復グイ位相パラメータＧ_ｈｒｔで、マルチパスセル装置の安定性範囲内でマルチパスセル装置構成を設定することが可能になり、半往復グイ位相パラメータＧ_ｈｒｔは、マルチパスシステムを通って（コリメートされたビーム部の中央から集束ビーム部の中央まで）半往復する毎に計算される。したがって、マルチパスセル装置を通る１往復での累積グイ位相は、πの整数倍とは等しくならない。さらに別の利点として、コリメーション部と組み合わせた集束部は、折り返され、マルチパスセル装置の小さくまとまった構成をもたらす。

【0026】

本発明の第１の実施形態では、各ミラー素子における大きいスポットサイズは、レーザーパルスがコリメート部に沿って交互に進むマルチパスセル装置を使用することによって達成され、レーザーパルスは、折返しミラー素子と集束部との間で複数回反射される。ビーム経路は、集束部に密に集束され、コリメート部でコリメートされる（又はほぼコリメートされる。コリメート部は、長い経路長を可能にするために複数回折り返されてもよい。このようにして、好ましくはマルチパスセル装置の固有モードと整合されたビームは、全てのミラーにおいて大きいスポット径を含む。

【0027】

本発明の第１の実施形態の特に好ましい変形例によれば、光ビーム経路は、集束ミラーのうちの１つから、折返しコリメーション部を経由して、集束ミラーのうちのもう１つまでの第１の長さＬ_２を有し、長さＬ_２は、集束部（４）を経由した集束ミラー間の復路の第２の長さＬ_１とは異なっており、Ｌ_２≧Ｌ_１である。発明者は、［１９］から逸脱して、好適にはコリメーション部が長いほど、向上したビーム品質をもたらすことが可能なグイ位相パラメータ範囲内でマルチパスセルを動作できることを見出した。

【0028】

好適な例によれば、現実的な実験条件から導出された非線形パルス伝搬シミュレーションを使用して、発明者は、本発明の第１の実施形態に係る構成で、例えば長さ２ｍの小型の装置を使用して、１０３０ｎｍで１ｐｓのパルスを１２０ｍＪで圧縮して、＜６５ｆｓにすることなどを数値的に実証した。

【0029】

本発明の別の代替的な好ましい実施形態（以下では第２の実施形態）によれば、集束ミラー素子は、コリメーション部の端部を反射してコリメーション部へ戻すように配置され、ビーム経路には焦点がなく（即ち密な焦点がない一方で、ビーム経路のほぼコリメートされた形状によってビームウエストが生じる場合がある）、マルチパスセルは、半往復循環グイ位相パラメータＧ_ｈｒｔを有し、π／１５＜Ｇ_ｈｒｔ＜π／２であり、半往復グイ位相パラメータＧ_ｈｒｔは、コリメーション部の中央から、集束ミラー素子のうちの１つを経由してコリメーション部の中央に戻る、マルチパスセル装置を通るパスの半分毎に計算される。特に好ましくは、非線形光学媒質がマルチパスセル装置内のガスであれば、マルチパスセルは、π／４＜Ｇ_ｈｒｔ＜π／２の範囲内の半往復循環グイ位相パラメータＧ_ｈｒｔで構成される。第２の実施形態では、半往復循環グイ位相パラメータＧ_ｈｒｔは、累積コリメーション部グイ位相パラメータＧ_ｃｏｌと等しい。発明者は、マルチパスセル装置の安定性範囲の新しい部分が、第２の実施形態の上述の特徴と共に使用されてもよく、マルチパスセル装置は、そのビーム経路に沿った密な焦点なしで構成されることを見出した。レーザーを反射してコリメート部に戻す集束ミラーは、マルチパスセル装置を安定して動作させるのに十分である。

【0030】

好適には、第２の実施形態に係る構成を使用して、発明者は、例えば、長さ２ｍの小型の装置を使用して、１０３０ｎｍで１ｐｓのパルスを１２０ｍＪで圧縮して＜３５ｆｓにすることなどを数値的に実証した。

【0031】

本発明の更に別の好ましい実施形態によれば、コリメーション部に沿った光ビーム経路は、特に好ましくは５回以上、例えば１０回以上、又は１００回以上折り返され得る。特に、上述した本発明の第１又は第２の実施形態で提供され得るコリメーション部の複数回の折返しは、マルチパスセル内でコリメーション部のビーム経路長を伸ばしつつ、マルチパスセルの小さくまとまった構成を維持する特別な利点を有する。

【0032】

パルススペクトル拡張装置の少なくとも１つの非線形光学媒質は、（例えば、ガラス製）誘電体板などの固体材料、又はマルチパスセル装置若しくはその部分内のガスなどの気体材料を含んでもよい。パルススペクトル拡張装置の様々な構成から生じる本発明の更に別の利点は、個別に、又はレーザーパルススペクトル拡張装置と組み合わせて実施されてもよい。第１の変形例によれば、パルススペクトル拡張装置、特に、その少なくとも１つの非線形光学媒質は、コリメーション部に配置されてもよい。したがって、少なくとも１つの非線形光学媒質には、コリメートされた、又はほぼコリメートされたビーム経路が通る。好適には、これにより少なくとも１つの非線形光学媒質内で大きいビーム径が可能になり、結果、少なくとも１つの非線形光学媒質のイオン化効果又は損傷が回避され得る。

【0033】

代替的又は付加的に、パルススペクトル拡張装置、特に、その少なくとも１つの非線形光学媒質は、集束ミラーのうちの少なくとも１つの近くに配置されてもよい。この配置は、パルス拡張パラメータを調節しつつも、少なくとも１つの非線形光学媒質のイオン化効果又は損傷を回避する利点を有する場合がある。

【0034】

さらに別の代替的又は付加的な変形例によれば、パルススペクトル拡張装置は、単一の非線形光学媒質又は複数の非線形光学媒質を備えてもよい。単一の非線形光学媒質は、レーザーパルススペクトル拡張装置の構成を簡素化し、パワー損失を最小化することに関して利点を有する。複数の非線形光学媒質を使用することは、マルチパスセル装置内で非線形光学性を分布させてレーザーパルスのスペクトル拡張を増加させる、即ち拡張パルスの拡大されたスペクトル範囲を得ることによる利点を有する。

【0035】

さらに別のオプションでは、パルススペクトル拡張装置は、マルチパスセル装置全体を満たすガス媒質を含んでもよい。この実施形態では、マルチパスセル装置内での非線形光学性の連続分布が好適な方法で得られ、レーザーパルスのスペクトル拡張が更に増加される。好ましくは、マルチパスセル装置は、非線形媒質としてのガス媒質で満たされたチャンバ内に配置される。好適には、チャンバは、マルチパスセル装置の周囲のガスを、大気圧未満又は以上であってもよい、所定の圧力で閉じ込めることを可能にする。ガス媒質は、少なくとも１つの固体の非線形光学媒質と組み合わされてもよい。

【0036】

本発明の更に別の好ましい実施形態によれば、集束ミラー素子は、２つの集束ミラーの反射部によって提供され、これらは互いに距離を隔てて配置される。従って、２つの集束ミラーが設けられ、それぞれが、凹状の反射面を有し、間にあるマルチパス構成における集束部を隔てて広がっており（本発明の第１の実施形態）、或いはコリメーション部の端部を反射してコリメーション部に戻す（本発明の第２の実施形態）。

【0037】

代替的又は付加的に、本発明の別の好ましい実施形態によれば、折返しミラー素子は、互いに距離を隔てて配置された２つの折返しミラーの反射部によって提供される。したがって、２つの折返しミラーが設けられ、それぞれが、平坦又は平坦に近い反射面を有し、間にあるマルチパス構成内のコリメート部を隔てて広がっている（本発明の第１及び第２の実施形態）。

【0038】

これらの実施形態では、レーザーパルススペクトル拡張装置は、例えば、ミラー素子を全て提供する大きい固体型ミラーを４つのみ含んでもよく、結果、マルチパスセル装置の機械的安定性が向上され得る。

【0039】

好ましくは、折返しミラー素子は、折返しミラーの重複部分であり、且つ／又は集束ミラー素子は、集束ミラーの重複部分である。好適には、相互に重なる配置により、マルチパスセル構成が更に小さくまとまる。

【0040】

あるいは、ミラー素子のそれぞれが、単一の集束ミラー又は単一の折返しミラーによって提供されてもよい。したがって、本発明のさらに別の実施形態では、集束ミラー素子は、第１のグループの集束ミラー及び第２のグループの集束ミラーによって提供され、第１及び第２のグループの集束ミラーは互いに距離を隔てて配置される。付加的又は代替的に、折返しミラー素子は、第１のグループの折返しミラー及び第２のグループの折返しミラーによって提供され、第１及び第２のグループの折返しミラーは、互いに距離を隔てて配置される。単一の集束及び／又は折返しミラーを使用することによって、他のミラーを変更することなく、特に、単一のミラーを調節する及び／又は交換する利点をもたらす。また、単一の集束及び／又は折返しミラーの使用は、非点収差によって引き起こされるビーム歪を最小化するために、集束ミラーにおけるビーム入射角を最小化して、柔軟性の向上をもたらす。

【0041】

さらに別の代替実施形態では、単一の集束及び／又は折返しミラーは、複数のミラー素子を含む大型の集束及び／又は折返しミラーと組み合わされてもよい。

【0042】

ミラー素子、即ち大きい集束及び／又は折返しミラー、又は単一の集束及び／又は折返しミラーは、好ましくは、誘電体及び／若しくは半導体表面又は金属表面又はこれらの組み合わせなどの反射多層膜を備え、任意選択で、マルチパスセル装置内で循環するレーザーパルスにチャープを適用するように構成される。

【0043】

好適には、複数のマルチパスセル装置の幾何学的配置が使用可能である。マルチパスセル装置の幾何学的配置の第１の変形例によれば、折返しミラー素子は、１行又は複数行のマルチパスパターンを提供してもよく、且つ／或いは集束ミラー素子は、１行又は複数行のマルチパスパターンを提供する（いわゆるマルチパスセル装置のボウタイ構成）。マルチパスセル装置の幾何学的配置の第２の変形例によれば、折返しミラー素子は、円形又は楕円形のマルチパスパターンを提供し、且つ／或いは集束ミラー素子は、円形又は楕円形のマルチパスパターンを提供する（いわゆるマルチパスセル装置の円柱構成）。円柱構成の場合、マルチパスセル装置は、円柱対称の構成を有する。対称軸に向かって折り返すことを可能にするために、折返しミラーは、わずかに湾曲される（凸面）ように設計され、円柱構成のコリメーション領域では、ビームは、あまりコリメートされない。

【0044】

ボウタイ構成は、折返しミラー素子及び集束ミラー素子の全てのミラー反射に対してビームサイズがほぼ一定に保たれ得るので、特別な利点を有する。したがって、大きいパルスエネルギーが使用され得る。その一方で、円柱構成は、マルチパスセル装置の回転対称に関する利点を有し、非点収差などのレーザービーム歪を最小化する。

【0045】

本発明の更に別の好適な実施形態によれば、折返しミラー素子は、Ｖ構成で配置され、折返しミラー素子の法線方向は、ゼロとは異なる傾斜角を有する。ミラー素子のＶ型配置は特別な利点を有し、例えば、Ｖ型配置において２つのミラー素子を使用することによって、Ｖ型配置における隣接する反射スポット同士の間の距離が、（結合／分離のために）コリメーション部の一側でより大きくなるが、コリメーション部の他側でより小さくなる（ビームを部分的に重ねることが可能になる）ので、小さくまとまった設計で多くのビーム畳み込みが可能になり得る。

【0046】

マルチパスセル装置自体は、レーザーパルスのスペクトルを拡張すると同時に、時間的な圧縮に適合されてもよい。この目的のために、ミラー素子のうちの少なくとも１つは、チャープミラー素子であることが好ましい。好適には、少なくとも１つのチャープミラー素子は、マルチパスセル装置のビーム経路に沿ったレーザーパルスの反射と、レーザーパルスへの周波数チャープの適合とに関する二重の機能を満たし、その時間的な圧縮を生じさせる。任意選択で、より長い波長で、マルチパスセル装置のビーム経路の中に分散する材料によって、時間的な圧縮が導入されてもよい。

【0047】

レーザーパルススペクトル拡張装置又はレーザー光源装置の更に別の好適な実施形態によれば、マルチパスセル装置の全長Ｌは、Ｅをレーザーパルスのパルスエネルギーとするとき、Ｌ＜５０ｍ／Ｊ＊Ｅ［Ｊ］であってもよい。全長Ｌは、縦軸（ｚ軸）に沿ったマルチパスセル装置の伸長、例えば、マルチパスセル装置の端部ミラー同士の間の伸長である。好ましいが限定されない範囲として、レーザーパルスのパルスエネルギーは、例えば、１ｍＪ～１０Ｊの範囲内であってもよい。好適には、パルスエネルギーに依存する装置の長さの上限は、レーザーパルススペクトル拡張装置の小型化の尺度であり、従来のマルチパスセルでは達成されていない。

【0048】

レーザーパルススペクトル拡張装置の文脈で開示されている特徴及びその実施形態は、本発明のレーザー光源装置、及び／又はレーザーパルスを生成する方法の好ましい特徴及びその実施形態も表し、その逆もまた同様である。前述の態様、並びに発明の特徴及び好ましい特徴は、特に、レーザーパルススペクトル拡張装置の動作の構成及び方法、並びにレーザーパルススペクトル拡張装置との関連で説明される個別の光学構成要素の寸法及び構成に関して、レーザー光源装置及び／又はレーザーパルスを生成する方法にも適用される。上述した本発明の好ましい実施形態、変形例、及び特徴は、必要に応じて互いに組み合わせ可能である。

【0049】

本発明の更なる詳細及び利点が、概略的な添付の図面を参照しながら以下に記載される。

【図面の簡単な説明】

【0050】

【図1】従来のマルチパスセル装置の一例を示す（従来技術）。

【図2】ボウタイ構成を有する、本発明に係るレーザーパルススペクトル拡張装置の第１の実施形態の特徴を示す。

【図3】本発明によって使用されるマルチパスセル装置の特徴を示す安定性図を示す。

【図4】本発明によって生成されるレーザーパルスの最大ピークパワー及びエネルギーの数値シミュレーションの結果を示す。

【図5】円柱構成を有する、本発明に係るレーザーパルススペクトル拡張装置の第１の実施形態の特徴を示す。

【図6】ボウタイ構成を有する、本発明に係るレーザーパルススペクトル拡張装置の第２の実施形態の特徴を示す。

【図7】本発明に係るレーザー光源装置の実施形態の特徴を示す。

【発明を実施するための形態】

【0051】

本発明の好ましい実施形態の特徴は、マルチパスセル装置の複数のミラー素子が、大きいミラーの表面部分によって提供される実施形態を例示的に参照しながら、以下で説明される。レーザーパルススペクトル拡張装置は、それぞれがミラー素子のうちの１つを提供する単一のミラーに対応して構成されてもよいことが強調される。特に、マルチパスセル装置の構成が参照される。レーザーパルスを生成するレーザー光源、及び任意選択のパルス圧縮装置（図７を参照）の詳細は、従来技術で知られているものとして選択されてもよい。

【0052】

一例として、マルチパスセル装置の縦軸（ｚ軸）は、マルチパスセル装置を支持しているキャリアプラットフォームの表面と平行に延び、ミラー素子の法線方向が、ｚ軸に対して平行又はわずかに傾いて調節されており、キャリアプラットフォーム表面は、例えばカーテシアン系のｘ－ｚ平面内で延び、マルチパスセル装置のコリメーション及び集束部の一群のミラー素子は、キャリアプラットフォーム表面に垂直なｘ－ｙ平面内で延びている構成が参照される。本発明の実際の実施は、この空間的配向に制限されないことが強調される。さらに、特定の構成要素、構成、パラメータ、及びプロセスは、本発明の適用条件に応じて変更されてもよい。

【0053】

以下、全てのミラー表面でビームスポットサイズを大きくすること、及び装置サイズを小型に維持しながら高パルスエネルギーで動作することを可能にする、マルチパスセル装置の一般的なパルスエネルギーのスケーリング則、及びマルチパスセルの種類の実施形態が説明される。解析的分析は、数値シミュレーションによって支持される。特に、高効率ＭＰＣに基づいた高圧縮比でのパルス事後圧縮により、卓上型の装置を使用して数１００ｍＪのパルスエネルギー及びマルチＴＷピークパワーまで拡張できることを示している。

【0054】

まず、図１に示すように、従来のマルチパスセル装置が参照される。続いて、図２～図６に示すように、本発明のマルチパスセル装置の設計を特に参照することによって、本発明のレーザーパルススペクトル拡張装置１００の実施形態が説明される。レーザーパルススペクトル拡張装置１００を備えるレーザー光源装置２００の特徴は、図７を参照して説明される。

【0055】

図１は、距離Ｌで配置された、曲率半径Ｒの２つの同一の凹状の大型ミラー１７’、１８’、及びこれらの中央に複数の焦点（経路毎に１つの焦点）を有する、標準的なヘリオット型マルチパスセル装置１０’（従来技術、［１３］などを参照のこと）を示す。マルチパスセル装置１０’は、非線形光学媒質２３’としてのガスで満たされている。あるいは、マルチパスセル装置１０’は、１つ以上の反射防止被覆溶融シリカ窓又はガラス板などの、非線形媒質で部分的に満たされていてもよい。マルチパスセル装置１０’を通ってＮ往復した後の繰返しビーム経路２’を含む再入ビームパターンは、ＬとＲの比Ｃについての以下の関係に従うことによって達成することができる（［１４］を参照）。

【数1】

ここでｋ＝１、．．．、（Ｎ－１）は、可変の整数を示す。各往復に対して同様の非線形パルス伝搬特性を保証する、（複素ビームパラメータを規定するｑを含む）ｑ保存マルチパスセル装置を得るために、入力ビームは、２ミラー配置によって形成された、対応するキャビティのモードと同一である、マルチパスセルの固有モードとモード整合される必要がある。

【0056】

非線形スペクトル拡張では、マルチパスセル装置１０’に、ガス２３’又はガラス板などの非線形光学媒質が挿入される。非線形屈折率変化Δｎ＝ｎ_２Ｉによって制御される自己位相変調によって決定される非線形パルス伝搬について考慮すると、ｎ_２は、瞬時非線形屈折率、Ｉは、光パルス強度であり、パルスエネルギーは、ミラー損傷閾値、又はガスのイオン化につながる焦点強度が達成されるまで、ｎ_２を減少させながら増加させることができる。パルスエネルギーを高めるために、非線形光学媒質２３’としてガスを使用することは、固体と比較して、損傷に対する耐性、屈折率の小ささ、及びより高いピーク強度に対応する能力を含む利点がある。さらに、ガス圧ｐは、ｎ_２～ｐを調整する簡単な方法を提供する。一方でバルク媒質は、より容易にＭＰＣ内の部分に局限され得る利点をもたらし、強度は、損傷又はイオン化を避けるのに十分な低さである。

【0057】

ｋ＝１４、Ｎ＝１５、λ＝１０３０ｎｍ、パルス幅ｔ＝１ｐｓの安定性エッジ近くで動作する、Ｒ＝１ｍのマルチパスセル装置１０’を例にとり、且つＦ_ｔｈ＝５００ｍＪ／ｃｍ^２のミラー損傷閾値を考慮すると、２４．５ｍＪのエネルギー限界、及び対応する４．６＊１０^１３Ｗ／ｃｍ^２のピーク焦点強度が得られる。対応するＭＰＣ長は、Ｌ＝Ｒ＊Ｃ＝１．９７８ｍになる。

【0058】

基本ガウスビームモードを使用した動作を可能にしながら、この限界を超えてパルスエネルギーを増加させるために、Ｎ、λ、及びＲの複数の調整パラメータが特定されてもよい。Ｎが増加すると、Ｆ_ｍだけでなく焦点強度Ｉ_０も増加する。したがってフルエンスの限界が回避され得る一方で、焦点におけるイオン化効果が、ガスで満たされたマルチパスセル装置の最大パルスエネルギーを制限する。また、ＭＰＣの動作が安定性エッジ（Ｃ≒２）に非常に近いことにより、摂動に対する感度が増加することになる。また、安定性エッジにおけるＭＰＣの結像特性は、Ｃ≒２（Ｇ_ｈｒｔ＝πと等価）が達成されたときの空間的ビームプロファイルの均質化を防止し、これは非線形ＭＰＣの最も有利な特性のうちの１つである。より長い波長に対するより大きいパルスエネルギーも達成され得る。

【0059】

従来のマルチパスセル装置１０’の、実際に最も関連性のあるパルスエネルギー調整オプションは、装置サイズによってもたらされ、装置サイズと最大パルスエネルギーとの間で、まっすぐな線形スケーリング関係を示す。ガスで満たされたＭＰＣでは、装置サイズ及びガス密度が、参考文献［１１］に概説されている基本的な関係に従ってスケーリングされている場合は、このエネルギースケーリング方法は、レーザーパルスエネルギーに依存しないスペクトル拡張特性をもたらす、完全なスケール不変性に従っていることが示され得る。

【0060】

本発明には、図２～図７に図示されているように、上述した限界を超えるパルスエネルギー・スケーリングオプションが導入されている。大きいモードサイズを有する長い共振器長に関する光共振器設計に適用される原理を使用して、発明者は、小型サイズの、折り返された長い経路長のマルチパスセル装置を見出した。以下で説明するように、折返しミラーが、大きいビームサイズの部分（コリメーション部）のみに配置された場合は、高パルスエネルギーがサポートされ得る。

【0061】

図２によると、図１の従来の２ミラーのマルチパスセル装置が４ミラーのマルチパスセル装置１０に置き換えられ、例えば、ボウタイ構成で配置されている。図２Ａは側面図を示し、図２Ｂ及び図２Ｃは、マルチパスセル装置１０の第１の実施形態の別の変形例における２つの例示的な上面図を示す。ビーム経路２は、図２Ａでは簡素化された構成で示され、即ちマルチパス装置のコリメート部内で、集束ミラー１７と１８との間で折り返されたビーム経路ではなく、直線ビーム経路（破線）で示している。

【0062】

より詳細には、図２のレーザーパルススペクトル拡張装置１００は、一対の折返しミラー１３、１４、及び一対の集束ミラー１７、１８によって提供された、複数のミラー素子１１、１２、１５、及び１６を有するマルチパスセル装置１０を含む。ミラー素子１１、１２、１５、及び１６は、折返しミラー１３、１４の穴などによって設けられた、２Ａなどの入力部から２Ｂなどの出力部まで延びる、ビーム経路２を隔てて広がっている。図２のレーザーパルススペクトル拡張装置１００は、本発明の第１の実施形態を表し、即ち（折返しミラー１３、１４によって設けられる）折返しミラー素子１１、１２が、ビーム経路２のコリメーション部３を隔てて広がっており、（集束ミラー１７、１８によって設けられる）集束ミラー素子１５、１６が、ビーム経路２の集束部４を隔てて広がっている。

【0063】

ミラー素子１１、１２、１５、及び１６は、折返しミラー１３、１４及び集束ミラー１７、１８の部分であり、（図２Ｄのミラー１３及び１７で形成されたビーム経路スポットによって、例示的なミラー素子１１及び１５で図示されているように）ここでビーム経路２が反射される。マルチパスセル装置１０内で、ミラー１３及び１７の高さＨ_ＢＴ及び長さＬ_ＢＴに沿った位置に応じて、ミラー素子１１及び１５は、折返しミラー１３、１４及び集束ミラー１７、１８の個別の部分であってもよく、或いは折返しミラー１３、１４及び集束ミラー１７、１８の重複部であってもよい。

【0064】

折返しミラー１３、１４は、Ｖ構成で配置されている平面に近いミラーを含み、即ち折返しミラー１３、１４は互いに平行ではなく、ミラー表面の法線方向に対して互いにずれて傾斜している。集束ミラー１７、１８は、同一の凹状の湾曲を有する。

【0065】

パルススペクトル拡張装置２０は、例えば厚さ０．５ｍｍのガラス製の誘電体板で形成された、非線形光学媒質２１によって提供される。非線形光学媒質２１は、誘電体板を通過する毎にレーザーパルスのスペクトルを拡張するために、コリメーション部３内に配置される。

【0066】

図２のマルチパスセル装置１０では、光ビーム経路２が、集束ミラー１７から折返しコリメーション部３を経由して集束ミラー１８までの第１の長さＬ_２を有し、長さＬ_２は、集束ミラー１８から集束部４を経由して集束ミラー１７までの、復路の第２の長さＬ_１とは異なる（図２Ｃを参照）。例えば、図２ＢではＬ_２≒３Ｌ_１、及び図２ＣではＬ_２≒９Ｌ_１である。図２のマルチパスセル装置１０は、半往復グイ位相パラメータＧ_ｈｒｔ＝π＊４／９を有する。（Ｇ_ｈｒｔは、コリメーション部３の中央から、１つの集束ミラーを経由して、集束部４の中央までの経路毎に計算される）。

【0067】

以下、一般性を失うことなくＬ_２≧Ｌ_１と仮定される。数１と同様に、半径Ｒの２つの同一の凹状ミラー１７、１８を有する、図２のマルチパスセル装置１０における再入ビームパターンの解を記述する一般式は、数１と同様にＣ_１＝Ｌ_１／Ｒ、Ｃ_２＝Ｌ_２／Ｒと規定される以下の式より導出されてもよい。

【数2】

【0068】

実際の実施では、図２のマルチパスセル装置１０は、例えば、折返しミラー１３、１４の寸法がＬ_ＢＴ＊Ｈ_ＢＴ＝１０ｃｍ＊１０ｃｍ、集束ミラー１７、１８の寸法が５ｃｍ＊１０ｃｍ、集束ミラー１７、１８の曲率半径が１ｍ、折返しミラー１３、１４が平面ミラー、コリメーション部３に沿ったパス数が９ｘ９＝８１（システムを通って９循環、コリメート部に沿って９回折り返されたビーム経路）、集束部４に沿ったパス数が９、経路長Ｌ_２＝９ｍ、経路長Ｌ_１＝１．００３８ｍであるパラメータで構成され、Ｎ＝９及びｋ＝４に対応する。マルチパスセル装置１０の全長Ｌは、（図１のように測定して）例えば、１ｍである。

【0069】

図３は、マルチパスセル装置１０（図２）のボウタイ構成の安定性図を示す。Ｌ_１＝Ｌ_２の標準ＭＰＣパラメータ空間が、点線の対角線で示されている。キャビティモード（灰色の領域）が、Ｌ_１が一定でＲが異なる場合の５つの重要な例示的な構成で概略的（モードの可視性を良くするために縦寸法を拡大）に示されている（パネル（１）から（５））。

【0070】

数２の解、即ち関数Ｃ_１（Ｃ_２）が、ｋ＝１、２、．．．、５、６、７に対してＮ＝１５の例を用いて、図３に示されている（黒の実線）。数２は、さらに（Ｎ－１）の解を規定し、各解は２回現れる。したがって、ｋ＝１、２、．．．、Ｎ／２を考慮するのに十分である。図３の白色の領域は、安定性範囲の外側の領域を示している。

【0071】

数２は、Ｌ_１＝Ｌ_２の数１に収束し、即ち解Ｃ_１（Ｃ_２）の対角線Ｃ_１＝Ｃ_２（Ｌ_１＝Ｌ_２と等価）との交点は、標準的な２ミラーのヘリオットセルを表す（図１）。

【0072】

コリメーション部３における、即ちＬ_２に沿ったコリメートされたビームは、本発明の重要な利点をもたらし、Ｌ_２に沿ったビーム経路は、最大ミラーフルエンスを増加させずに複数回折り返されることができ、システム長はＬ_１によってのみ決定されるので、小型マルチパスセル装置の構造に広範囲の変形をもたらし、Ｃ_２が大きい場合はＬ_１≒Ｒとなる。

【0073】

Ｌ_２／Ｌ_１の非対称性が大きい場合は、システムを小型に維持するために、Ｌ_２に沿ったコリメーション部３が、好ましくは多数回折り返され、これは、損失が数百万分の１の水準で３０ｆｓ以下のパルス持続時間をサポートする今日の多層膜ミラー技術を用いて容易に可能であり、したがって、１００回以上折り返されたビーム経路であっても９０％を上回るシステム透過率を可能にする。

【0074】

ミラー表面におけるビームスポットサイズがＬ_２と共に大きくなってフルエンスの減少が生じる一方で、Ｌ_１と交差するより密な焦点における焦点ピーク強度は増加する。マルチパスセル装置１０の密な焦点におけるイオン化は、残留ガス圧が低い状態で、閉鎖可能なチャンバ内部で動作することによって回避され得る。スペクトルを拡張するために、マルチパスセル装置１０の別の部分内に非線形光学媒質が配置される（例えば、図２Ｂ、図２Ｃを参照）。これは、Ｌ_２に沿ってコリメーション部３等に配置された固体媒質２１、及び／又は差動排気によって密な焦点の位置から分離されたガス媒質のどちらでもよい。

【0075】

図４は、レーザー波長１０３０、ミラーのフルエンス限界０．５Ｊ／ｃｍ^２、並びにｋ＝７及びＮ＝１５の数２によって規定される幾何学的配置を前提とした集束部４の長さＬ_１の様々な例について、パラメータＣ_２＝Ｌ_２／Ｒ、即ちコリメーション部３の長さを集束ミラー１７、１８の曲率半径で割った値に応じて、拡張され時間的に圧縮されたレーザーパルスの最大パルスエネルギー及びピークパワーの数値予測の結果を示す。ピークパワーは、完全な時間的ガウスパルス形状、及び６５ｆｓの圧縮されたパルス持続時間を前提として、簡素化して計算されたものである。図４に示す数値予測は、線形モード整合の手法を使用したマルチパスセル装置の動作を前提として得られたものである。動作レジームに応じて、最適性能のために非線形モード整合が必要とされる場合があり、ビームスポットサイズの変化により、表示されているパラメータとのずれが生じる。どちらの図も、本発明のレーザーパルススペクトル拡張装置１００のエネルギースケーリング能力を示している。

【0076】

本発明は、図２に係るマルチパスセル装置１０のボウタイ構成に限定されない。代替として、図５に示すように、本発明の第１の実施形態に円柱構成が使用されてもよい。

【0077】

図５Ａのレーザーパルススペクトル拡張装置１００のマルチパスセル装置１０は、一対の平面又は平面に近い折返しミラー１３、１４、及び一対の環状の湾曲した集束ミラー１７、１８によって提供された、複数のミラー素子１１、１２、１５、及び１６を含む。集束ミラー１７、１８は、同一の凹状の湾曲を有する。ミラー素子１１、１２、１５、及び１６は、集束ミラー１７、１８の穴などによって設けられた、２Ａなどの入力部から２Ｂなどの出力部まで延びるビーム経路２を隔てて広がっており、図５Ｂに示すようなスポットパターンを有する。ビーム経路２は、折返しミラー１３、１４を隔たせて広げているコリメーション部３、及び集束ミラー１７、１８を隔たせて広げている集束部４を含む。図５のマルチパスセル装置１０は、グイ位相パラメータＧ_ｈｒｔ＝π＊８／１５を有する。（Ｇ_ｈｒｔは、コリメーション部３の中央から、１つの集束ミラーを経由して集束部４の中央までの経路毎に計算される）。

【0078】

図２を参照して記載されているように、ミラー素子１１、１２、１５、及び１６は、折返しミラー１３、１４及び集束ミラー１７、１８の部分であり（図５Ｂのミラー１３及び１７上に形成されたビーム経路スポットによって図示されているように）、ここでビーム経路２が反射される。マルチパスセル装置１０内の位置に応じて、ミラー素子１１及び１５は、折返しミラー１３、１４及び集束ミラー１７、１８の別々の部分であってもよく、又は折返しミラー１３、１４及び集束ミラー１７、１８の重複部分であってもよい。

【0079】

パルススペクトル拡張装置２０の非線形光学媒質２１は、誘電体板であり、例えば、厚さ０．５ｍｍのガラス製であり、誘電体板を通過する毎にレーザーパルスのスペクトルを拡張するために、コリメーション部３内に配置される。

【0080】

実際の実施では、図５のマルチパスセル装置１０は、例えば、折返しミラー１３、１４の直径が１４０ｍｍ、リング状の集束ミラー１７、１８の外径が２００ｍｍ、リング状の集束ミラー１７、１８の内径が１４０ｍｍ、集束ミラー１７、１８の曲率半径が１ｍ、折返しミラー１３、１４の曲率半径が－１０ｍ（弱凸ミラー）、コリメーション部３に沿ったパス数が１０５（７回折り返されるシステムを通って１５循環）、集束部４に沿ったパス数が１５、集束ミラー同士の間の距離が１．１７ｍ、折返しミラー同士の間の距離が１．２５ｍであるパラメータで構成され、Ｎ＝１５に対応する。マルチパスセル装置１０の全長Ｌは、例えば、１．１７ｍである。

【0081】

図６は、本発明の第２の実施形態の特徴を示し、マルチパスセル装置１０のビーム経路２には、密な焦点がない。マルチパスセル装置１０は、一対の折返しミラー１３、１４を備え、それぞれが、マルチパスセル装置１０のコリメーション部３を隔てて広がっている複数の折返しミラー素子１１、１２を含む。コリメーション部３は、パルススペクトル拡張装置２０の非線形光学素子２１を含む。さらに、マルチパスセル装置１０は、コリメーション部３の端部を反射してコリメーション部３に戻すために配置された複数の集束ミラー素子１５、１６を含む、一対の集束ミラー１７、１８を備える。図６Ａは、マルチパスセル装置１０の側面図を示し、図６Ｂ及び図６Ｃは、Ｌ_２≒３Ｌ_１及びＬ_２≒９Ｌ_１の（Ｌ_２はコリメーション部の長さ、Ｌ_１は集束ミラーの距離）、マルチパスセル装置１０の上面図を示す。図６のマルチパスセル装置１０は、半往復グイ位相パラメータＧ_ｈｒｔ＝π＊２／１５を有する。（Ｇ_ｈｒｔは、コリメーション部３の中央から、１つの集束ミラーを経由してコリメーション部３の中央に戻るまでの経路の半分毎に計算される）。

【0082】

実際の実施では、図６のマルチパスセル装置１０は、例えば、折返しミラー１３、１４の寸法が２５ｃｍ＊１８ｃｍ、集束ミラー１７、１８の寸法が５ｃｍ＊１８ｃｍ、集束ミラー１７、１８の曲率半径が２３１ｍ、折返しミラー１３、１４が平面ミラー、コリメーション部３に沿ったパス数が３０＊１１（システムを通って１５循環し、１１回折り返されるコリメートされたビーム部を３０回通過することになる）、２つの集束ミラー同士の間の折返し光路長が２０ｍであるパラメータで構成され、ｋ＝２及びＮ＝１５に対応する。したがって、マルチパスセル装置１０の全長Ｌは、例えば、２０ｍ／１１＝１．８１８ｍである。

【0083】

図６の実施形態は、図２～図５の第１の実施形態で使用されているように、折り返すコリメートされたビーム経路を組み合わせて、小型の装置サイズを可能にしながら、大きいビームスポットサイズをもたらす。ｋ／Ｎ→０の場合、図３のパネル（３）に示されているように、従来のＭＰＣの両方のミラー同士の間のビームは、コリメートされた幾何学形状に近づく。

【0084】

例えば図１に係る、外側安定性エッジ（ｋ／Ｎ≒１）の近くで動作する従来のＭＰＣとは対照的に、本発明に従って使用されるマルチパスセル装置は、図２のマルチパスセル装置１０のコリメーション部３と同様の折返しミラー１３、１４を用いて折り返され得るが、Ｅ_ｍａｘを制限することはない。このようにして、高パルスエネルギーをサポートする小型の装置が構成され得るが、非常に長い曲率半径を持つミラーが必要になる。

【0085】

一例として、Ｆ_ｍ＝０．５ｍＪ／ｃｍ^２、Ｎ＝１５、λ＝１０３０ｎｍ、Ｒ＝２３１ｍ、及び２つの集束ミラー同士の間の折返し光路長Ｌ＝２０ｍの場合、約１２０ｍＪのパルスエネルギーがサポートされる。しかしながら、ビーム経路２の長さＬに沿ってビーム経路が複数回折り返されてもよいので、装置サイズは、非常に小型にすることができる。

【0086】

さらに別の実際の実施では、図６のマルチパスセル装置は、例えば、折返しミラー１３、１４の寸法が６ｃｍ＊４ｃｍ、集束ミラー１７、１８の寸法が１ｃｍ＊４ｃｍ、集束ミラー１７、１８の曲率半径が１１．５ｍ、折返しミラー１４、１４が平面に近いミラー、コリメーション部３に沿ったパス数が３０＊１１（システムを通って１５循環し、１１回折り返すコリメート部を３０回通過することになる）、２つの集束ミラー同士の間の折返し光路長が１ｍであるパラメータでダウンスケーリングされた構成で更に構成されてもよく、ｋ＝２及びＮ＝１５に対応する。

【0087】

一例として、上述したパラメータセットの場合、即ちＦ_ｍ＝０．５ｍＪ／ｃｍ^２、Ｎ＝１５、λ＝１０３０ｎｍ、Ｒ＝２３１ｍ、及び２つの集束ミラー同士の間の折返し光路長Ｌ＝１ｍ（マルチパスセル装置１０の全長Ｌと等価）の場合、約６ｍＪのパルスエネルギーがサポートされる。しかしながら、装置サイズは、非常に小型にすることができ、ビーム伝搬領域の設置面積は、わずか約６＊１０ｃｍ、装置全体の合計設置面積は、わずか約１０＊１６ｃｍになる。

【0088】

図７は、レーザーパルスを生成するレーザー光源装置２００の実施形態を概略的に示す。レーザー光源装置２００は、拡張される一次レーザーパルス１を生成するための、ｐｓ又はサブｐｓイッテルビウム：ＹＡＧレーザーなどの、レーザー光源２１０を備える。レーザー光源２１０は、例えば、図２、図５、又は図６に係る、閉じた排気可能なチャンバ３０内に配置された、本発明に係るレーザーパルススペクトル拡張装置１００に接続される。レーザーパルススペクトル拡張装置１００は、ミラーのうちの１つにある穴のような入力部２Ａを介してレーザーパルス１を受光し、マルチパスセル装置１０内を循環するレーザーパルス１Ａの、非線形光学媒質２１との複数の非線形相互作用によって、スペクトル拡張を適用する。

【0089】

パルス圧縮装置２２０は、ミラーのうちのもう１つにある穴のような出力部２Ｂを介してスペクトル拡張レーザーパルス１Ｂを受光するため、且つスペクトル拡張レーザーパルス１Ｂを時間的に圧縮するために、マルチパスセル装置１０の出力部２Ｂの下流に配置される。パルス圧縮は、従来技術で知られている方法、例えば、チャープミラーを使用した時間的パルス圧縮を用いて、パルス圧縮装置２２０で実施される。時間的パルス圧縮が必要とされない場合、又はレーザーパルススペクトル拡張装置１００に時間的パルス圧縮が導入されている場合は、パルス圧縮装置２２０は、省略されてもよい。

【0090】

図７は、任意選択の制御装置２３０を更に示し、該装置は、センサ（図示せず）を介して、レーザーパルススペクトル拡張装置１００又はパルス圧縮装置２２０の出力に接続される。制御装置２３０は、例えば、スペクトル拡張され任意選択で圧縮されたレーザーパルスの時間的、スペクトル的、振幅的特徴に応じて、マルチパスセル装置１０のミラー素子のうちの少なくとも１つ（例えば、ミラーの位置）、及び／又はレーザー光源２１０を調節するために配置される。したがって、制御装置２３０を含む制御ループで、パルスパラメータは、最適化され得る。

【0091】

上述の説明、図面、及び特許請求の範囲で開示されている本発明の特徴は、個別に、且つ組み合わせ又は下位組み合わせにおいて、本発明をその異なる実施形態で実施するための意義を有し得る。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【手続補正書】

【提出日】2024-06-06

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザーパルス（１Ａ）のスペクトルを拡張するように構成される、レーザーパルススペクトル拡張装置（１００）であって、
－マルチパスセル装置（１０）であって、前記マルチパスセル装置（１０）の入力部から出力部まで延びるビーム経路（２）を提供するために配置された複数のミラー素子（１１、１２、１５、１６）を含み、前記ミラー素子は、凹状の湾曲を有する集束ミラー素子（１５、１６、１７、１８）を含む、マルチパスセル装置（１０）と、
－パルススペクトル拡張装置（２０）であって、前記パルススペクトル拡張装置（２０）を通る前記レーザーパルスのスペクトルを拡張するために構成され、且つ前記ビーム経路（２）内に配置される、少なくとも１つの非線形光学媒質（２１、２２、２３）を含み、前記ミラー素子（１１、１２、１５、１６）は、前記パルススペクトル拡張装置（２０）を通る、前記ビーム経路（２）の複数の通路を提供する構成を有する、パルススペクトル拡張装置（２０）と
を備え、
－前記ミラー素子は、平面に近い形状を有する折返しミラー素子（１１、１２）を更に含み、前記折返しミラー素子（１１、１２）の曲率半径の絶対値が１０ｍよりも大きく、前記折返しミラー素子（１１、１２）は、前記ビーム経路（２）の折返しコリメーション部（３）を隔てて広がっており、前記ビーム経路（２）は、前記コリメーション部（３）全体に沿ってある程度のコリメーションを、前記コリメーション部（３）における累積コリメーション部グイ位相パラメータＧ_ｃｏｌがπ／１５＜Ｇ_ｃｏｌ＜π／２になるように有し、
－前記ミラー素子（１１、１２、１５、１６）は、ｎを自然数とするとき、前記マルチパスセル装置（１０）を通って半往復する毎の累積半往復グイ位相パラメータＧ_ｈｒｔが、ｎ＊π／２とは異なるように配置される、
ことを特徴とする、レーザーパルススペクトル拡張装置（１００）。

【請求項2】

－前記集束ミラー素子（１５、１６）は、前記ビーム経路（２）の集束部（４）を隔てて広がっており、前記集束部（４）は、前記ビーム経路（２）の少なくとも１つの焦点を含み、
－前記コリメーション部（３）と前記集束部（４）とは、互いに隣接して配置され、前記ビーム経路（２）が、前記折返しミラー素子（１１、１２）によって折り返され、前記コリメーション部（３）及び前記集束部（４）は、前記レーザーパルスが前記コリメーション部（３）を交互に通過するように配置され、前記レーザーパルスは、前記折返しミラー素子（１１、１２）と前記集束部（４）との間で複数回反射される、
請求項１に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項3】

－前記光ビーム経路（２）は、前記集束ミラーのうちの１つ（１７）から、前記折返しコリメーション部（３）を経由して、前記集束ミラーのうちのもう１つ（１８）までの第１の長さＬ_２を有し、該長さＬ_２は、前記集束部（４）を経由した前記集束ミラー（１７、１８）間の復路の第２の長さＬ_１とは異なっており、Ｌ_２≧Ｌ_１である、
請求項２に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項4】

－前記集束ミラー素子（１５、１６）は、前記コリメーション部（３）の端部を反射して前記コリメーション部（３）へ戻すように配置され、
－前記ビーム経路（２）には、焦点がなく、
－前記マルチパスセル装置（１０）は、前記累積半往復グイ位相パラメータＧ_ｈｒｔを有し、π／１５＜Ｇ_ｈｒｔ＜π／２である、
請求項１に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項5】

－前記コリメーション部（３）に沿った前記光ビーム経路（２）は、複数回折り返される、
請求項１～４の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項6】

－前記パルススペクトル拡張装置（２０）は、前記コリメーション部（３）内に配置される、
請求項１～４の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項7】

－前記パルススペクトル拡張装置（２０）は、前記集束ミラー素子（１５、１６）のうちの少なくとも１つに近接して配置される、
請求項１～４の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項8】

－前記パルススペクトル拡張装置（２０）は、複数の非線形光学媒質（２１、２２、２３）を含む、
請求項１～４の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項9】

－前記パルススペクトル拡張装置（２０）は、前記マルチパスセル装置（１０）全体を満たすガス媒質（２３）を含む、
請求項１～４の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項10】

－前記折返しミラー素子（１１、１２）は、互いに距離を隔てて配置された２つの折返しミラー（１３、１４）の反射部によって提供される、
請求項１～４の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項11】

－前記折返しミラー素子（１１、１２）は、前記折返しミラー（１３、１４）の重複部である、
請求項１０に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項12】

－前記集束ミラー素子（１５、１６）は、互いに距離を隔てて配置された２つの集束ミラー（１７、１８）の反射部によって提供される、
請求項１～４の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項13】

－前記集束ミラー素子（１５、１６）は、前記集束ミラー（１７、１８）の重複部である、
請求項１２に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項14】

－前記折返しミラー素子（１１、１２）は、第１のグループの折返しミラー及び第２のグループの折返しミラーによって提供され、前記第１及び第２のグループの折返しミラーは、互いに距離を隔てて配置される、
請求項１～４の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項15】

－前記集束ミラー素子（１５、１６）は、第１のグループの集束ミラー及び第２のグループの集束ミラーによって提供され、前記第１及び第２のグループの集束ミラーは、互いに距離を隔てて配置される、
請求項１～４の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項16】

－前記折返しミラー素子（１１、１２）は、１行又は複数行のマルチパスパターン（５）を提供し、且つ／或いは前記集束ミラー素子（１５、１６）は、１行又は複数行のマルチパスパターン（６）を提供する、
請求項１～４の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項17】

－前記折返しミラー素子（１１、１２）は、円形又は楕円形のマルチパスパターン（７）を提供する、
請求項１～４の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項18】

－前記集束ミラー素子（１５、１６）は、円形又は楕円形のマルチパスパターン（８）を提供する、
請求項１～４の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項19】

－前記折返しミラー素子（１１、１２）は、Ｖ構成で配置され、前記折返しミラー素子（１１、１２）の法線方向が、ゼロとは異なる傾斜角を有する、
請求項１～４の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項20】

－前記非線形光学媒質（２１、２２）は、前記拡張レーザーパルス（１Ａ）の全スペクトル範囲で透明である、少なくとも１つの透明板を含む、
請求項１～４の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項21】

－前記ミラー素子（１１、１２、１３、１４）のうちの少なくとも１つは、チャープミラー素子である、
請求項１～４の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項22】

－前記マルチパスセル装置（１０）は、非線形媒質としてのガス（２３）で満たされたチャンバ（３０）内に配置される、
請求項１～４の一項に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置。

【請求項23】

レーザーパルスを生成するように構成される、レーザー光源装置（２００）であって、
－一次レーザーパルスを生成するために配置されるレーザー光源（２１０）と、
－前記一次レーザーパルスを受光するため、且つスペクトルを拡張するために配置されている、請求項１に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置（１００）とを備える、
レーザー光源装置（２００）。

【請求項24】

－前記レーザー光源のビームモードが、前記少なくとも１つの非線形光学媒質（２１、２２、２３）のレンズ効果を考慮した非線形動作条件で、又は線形動作条件で、前記マルチパスセル装置（１０）によって規定された光場モードと整合する、
請求項２３に記載のレーザー光源装置。

【請求項25】

－スペクトル拡張レーザーパルスを受光するため、且つ時間的に圧縮するためのパルス圧縮装置（２２０）が配置される、
請求項２３～２４の一項に記載のレーザー光源装置。

【請求項26】

－レーザー光源（２１０）で、一次レーザーパルス（１Ａ）を生成するステップと、
－請求項１に記載のレーザーパルススペクトル拡張装置（１００）で、前記一次レーザーパルス（１Ａ）をスペクトル拡張するステップと、
－スペクトル拡張レーザーパルス（１Ｂ）を出力するステップとを含む、
レーザーパルス（１Ｂ）を生成する方法。

【請求項27】

－前記レーザー光源（２１０）のビームモードを、前記マルチパスセル装置（１０）によって規定された光場モードと整合させる、更に別のステップを含む、
請求項２６に記載の方法。

【請求項28】

－パルス圧縮装置（２２０）で、前記スペクトル拡張レーザーパルス（１Ｂ）を時間的に圧縮する、更に別のステップを含む、
請求項２６～２７の一項に記載の方法。

【請求項29】

－前記マルチパスセル装置（１０）で、前記スペクトル拡張レーザーパルスを時間的に圧縮する、更に別のステップを含む、
請求項２６～２７の一項に記載の方法。

【国際調査報告】