JP2020067591A - パルス列生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フェムト秒レーザーパルスを、任意の間隔で１６分割するパルス列生成装置を提供する。【解決手段】半波長板（１／２λｐｌａｔｅ）によってＳ偏光を４５度回転した後に偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）で反射・通過させるとフェムト秒レーザーパルスが二つに分かれる。通過したＳ偏光パルスはＯｐｔｉｃａｌ ｄｅｌａｙ ｌｉｎｅ（移動ミラーの位置を変更することによる光路距離に差を設ける）によって２００ｆｓｅｃ程度（空間距離に変換すると６０ｕｍ）遅らせる。再度ＰＢＳを使ってＰ偏光パルスとＳ偏光パルスを合流させると、フェムト秒レーザー２パルス列が生成できる。これを４回繰り返して、フェムト秒レーザー１６パルス列生成を行うことができる。その際、光学アライメントの調整が容易になるよう、レーザーをプリズム、位置制御可能な移動ミラーで構成するとよい。【選択図】図４

Description

本発明は、フェムト（１０^−５）秒（ｆｓ）のレーザーパルスを、任意の間隔で１６分割、或いは３２分割するパルス列生成装置（以下、それぞれ「１６パルス列生成装置」、「３２パルス列生成措置」ともいう）に関する。

フェムト秒レーザーパルスは、数十〜数百フェムト秒の時間長（パルス幅）を有するビームである。

発明者等は、すでにフェムト秒レーザーパルスを、任意の間隔で４分割するパルス列生成装置（「４パルス列生成装置」ともいう）を開発し、非特許文献１，２で公開している。

ここで、発明者がこれまで開発した４パルス列生成装置を、図１（非特許文献１のＦｉｇ２），図２（非特許文献２のＦｉｇ２）に掲載し、その概要を、図３にまとめ、それに沿って説明する。光路中の矢印の向きはレーザーパルスの進行方向、矢印の数はパルス列（ビームバンチ）の数を意味する。

図３に示すように、４パルス列生成装置１は、
例えばパルス幅１００ｆｓ〜２００ｆｓの線偏光レーザーパルスｓ（０）を透過させ、線偏光方向を４５°回転させ水平波（ｓ）と垂直波（ｐ）が５０％ずつの成分の線偏光ｓ／ｐ（１）にする第一半波長板２と、
ｓ／ｐ（１）の進行方向を反射（例えば９０°）させる第一プリズム３と、
ｓ／ｐ（１）からｓ成分の進行方向を反射（例えば９０°）させるとともにｐ成分を透過させる第一スプリッタ４と、
反射したｓ（１）を進行方向逆向きに反射する第一固定ミラー６と、
第一固定ミラー６と第一スプリッタ４の光路の間に配置され、ｓ（１）をｐ（２）に変換する第一１／４波長板５と、
透過したｐ（１）の進行方向を反射（例えば９０°）させる第二プリズム７と、
反射したｐ（１）を進行方向逆向きに反射する第一移動ミラー９と、
第一移動ミラー９と第二プリズム７の光路の間に配置され、ｐ（１）をｓ（２）に変換する第二１／４波長板８と、
第一スプリッタ４に再度到達し透過したｐ（２）及び第一スプリッタ４で反射させられたｓ（２）の進行方向軸をズラし逆向きに反射する第三プリズム１０と、
第一スプリッタ４と第三プリズム１０の光路の間に配置され、ｐ（２）、ｓ（２）を一度通過させそれぞれｓ／ｐ（３）に変換する第二半波長板１１と、
ｓ／ｐ（３）の内、スプリッタ４でｓ（３）を第二プリズム７方向に反射させ、さらに第一移動ミラー９と異なる方向に第二プリズム７で反射したものを進行方向逆向きに反射させる第二移動ミラー１３と、
第二移動ミラー１３と第二プリズム７の光路の間に配置され、ｓ（３）をｐ（４）に変換する第三１／４波長板１２と、
ｓ／ｐ（３）の内、スプリッタ４を透過したｐ（３）を第一固定ミラー６で反射及び第一１／４波長板５を透過し変換された２つのｓ（４）及び２つのｐ（４）をそれぞれｓ／ｐ（５）に変換する第三半波長板１４とからなり、
フェムト秒レーザーパルスを、任意の間隔で４分割する。ここでは、第一プリズム３の後段光路に第三半波長板１４を設置し、第一プリズム３で反射した後にｓ／ｐ（５）調整している。

分割されるパルス間の任意の間隔は、第一移動ミラー９及び第二移動ミラー１３の移動により、すなわち、第一スプリッタ４と第一固定ミラーまでの光路（Ｌ１）と、第一スプリッタ４と第一移動ミラー９までの距離（Ｌ２）との差（時間差）、さらにＬ１と第一スプリッタ４と第二移動ミラー１３までの距離（Ｌ３）との差（時間差）を調節することで簡易に制御できる。

なお、プリズムを用いることで光学アライメント調整が簡単になる。スプリッタ（偏光ビームスプリッタ／ＰＢＳ）は、偏光方向が水平なＳ波を反射し、垂直なＰ波を通過させる光学素子であるので、レーザーパルスを成分に応じて分離できる。１／４波長板はＳ波の２回の通過で、Ｓ波をＰ波に変換する。

また、移動ミラーの位置制御に、ステッピングパルスモータとリニアセンサを使うことで、１ｕｍ精度でミラー位置を位置決め制御することができる。

A. Aryshev, M. Shevelev, Y. Honda, N. Terunuma, J. Urakawa, "Femtosecond response time measurements of a Cs2Te photocathode", Applied Physics Letters 111, 033508-1, -5, 2017. M. Shevelev, A. Aryshev, N. Terunuma, and J. Urakawa1, "Generation of a femtosecond electron microbunch train from a photocathode using twofold Michelson interferometer", Phys. Rev. ST Accel. Beams 20, 103401 (2017)

さらに、フェムト秒レーザーパルスを多数に分割する要請がある。そこで、フェムト秒レーザーパルスを、任意の間隔で１６分割、或いは３２分割するパルス列生成装置を提供することを目的とする。

発明を実現するための原理、方法論は、以下の通りでさる。半波長板（１／２λｐｌａｔｅ）によってＳ偏光を４５度回転した後に偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）で反射・通過させるとフェムト秒レーザーパルスが二つに分かれる。通過したＳ偏光パルスはＯｐｔｉｃａｌ ｄｅｌａｙ ｌｉｎｅ（移動ミラーの位置を変更することによる光路距離に差を設ける）によって２００ｆｓｅｃ程度（空間距離に変換すると６０ｕｍ）遅らせる。再度ＰＢＳを使ってＰ偏光パルスとＳ偏光パルスを合流させると、フェムト秒レーザー２パルス列が生成できる。これを４回繰り返して、フェムト秒レーザー１６パルス列生成を行うことができる。その際、光学アライメントの調整が容易になるよう、レーザーをプリズム、位置制御可能な移動ミラーで構成するとよい。

より詳しくは、
［１］
線偏光レーザーパルスｓ（０）を透過させ、線偏光方向を４５°回転させ水平波（ｓ）と垂直波（ｐ）が５０％ずつの成分の線偏光ｓ／ｐ（１）にする第一半波長板と、
ｓ／ｐ（１）の進行方向を反射させる第一プリズムと、
ｓ／ｐ（１）からｓ成分の進行方向を反射させるとともにｐ成分を透過させる第一スプリッタと、
反射したｓ（１）を進行方向逆向きに反射する第一固定ミラーと、
前記第一固定ミラーと前記第一スプリッタの光路の間に配置され、ｓ（１）をｐ（２）に変換する第一１／４波長板と、
透過したｐ（１）の進行方向を反射させる第二プリズムと、
反射したｐ（１）を進行方向逆向きに反射する第一移動ミラーと、
前記第一移動ミラーと前記第二プリズムの光路の間に配置され、ｐ（１）をｓ（２）に変換する第二１／４波長板と、
前記第一スプリッタに再度到達し透過したｐ（２）及び前記第一スプリッタで反射させられたｓ（２）を透過させ、それぞれｓ／ｐ（３）に変換する第二半波長板と、
ｓ／ｐ（３）の内、ｓ（３）を反射させ、ｐ（３）を透過させる第二スプリッタと、
透過したｐ（３）を透過、進行方向逆向きに反射させつつｐ（３）をｓ（４）に変換する第五１／４波長板及び第二固定ミラーと、
反射したｓ（３）の進行方向を反射させる第四プリズムと、
反射したｓ（３）を進行方向逆向きに反射する第三移動ミラーと、
前記第三移動ミラーと前記第四プリズムの光路の間に配置され、ｓ（３）をｐ（４）に変換する第四１／４波長板と、
前記第二スプリッタで反射したｓ（４）及び前記第二スプリッタを透過したｐ（４）を透過させ、それぞれｓ／ｐ（５）に変換する第四半波長板と、
ｓ（４）及びｐ（４）と進行方向軸をズラし逆向きにｓ／ｐ（５）を反射する第五プリズム３０と、
前記第二スプリッタを透過したｐ（５）を前記第四プリズムによって前記第三移動ミラーと異なる方向に反射したものを逆向きに反射させる第四移動ミラーと、
第四移動ミラーと第四プリズムの光路の間に配置され、ｐ（５）をｓ（６）に変換する第六１／４波長板と、
前記第二スプリッタで反射したｓ（５）は前記第二固定ミラーに反射、前記第五１／４波長板を通過してｐ（６）に変換され、前記第二スプリッタを透過し、また、
前記第二スプリッタを透過したｐ（５）はｓ（６）に変換されたうえで、前記第二スプリッタで反射して、それぞれ前記第二半波長板に戻り、透過して、それぞれｓ／ｐ（７）になり、前記第一スプリッタを透過したｐ（７）は、前記第一固定ミラーで進行方向逆向きに反射しつつ前記第一１／４波長板を透過してｓ（８）に変換され、
前記第一スプリッタで反射したｓ（７）は、前記第二プリズムに向かい、前記第一移動ミラーと異なる方向に反射したものを逆向きに反射させる第二移動ミラーと、
前記第二移動ミラーと前記第二プリズムの光路の間に配置され、ｓ（７）をｐ（８）に変換する第三１／４波長板と、
前記第一スプリッタで反射したｓ（８）と、前記第一スプリッタを透過したｐ（８）を、８つのｓ（８）及び８つのｐ（８）とする１６分割のｓ／ｐ（９）に変換する第三半波長板と、
からなり、
直線偏光レーザーパルスを、１６列のフェムト秒パルスに分割することを特徴とする
パルス列生成装置。
［２］
前記線偏光レーザーパルスの時間幅を拡張するパルスストレッチャーを、前記第一半波長板の前段光路に配置したことを特徴とする［１］に記載のパルス列生成装置。
［３］
目的の分割数に分割された各パルスの時間幅を短縮するパルスコンプレッサを、前記光路末端に配置したことを特徴とする［１］又は［２］に記載のパルス列生成装置。
［４］
前記第五１／４波長板及び前記第二固定ミラーを除き、当該位置に第二半波長板が位置する倍化要素を追加配置して、直線偏光レーザーパルスを、３２列のフェムト秒パルスに分割することを特徴とする［１］〜［３］の何れか１に記載のパルス列生成装置。
とした。

本発明は、上記構成であるので、フェムト秒レーザーパルスを、１６分割、３２分割することが可能になった。

例えば、１６列のレーザーパルスを光カソードに照射して、１６電子ミクロバンチ列生成を行い加速後、その１６電子ミクロバンチ列がアンジュレータを通過すると、比較的短いアンジュレータで自由電子レーザー発振（ＦＥＬ）飽和が安定に起こる。ＴＨｚ放射や赤外線放射ピーク強度が従来のレーザーによる放射ピーク強度の１０００倍以上になる。基礎物性研究や物の診断等に利用できる装置として非常に有用である。

また、32列のレーザーパルス生成が可能になれば、放射安定性、放射ピーク強度、実用性はさらに高まりまる。以上の物理現象は共鳴現象であるので、強度と安定性は画期的に良くなる。

図１は、発明者がすでに提案した、フェムト秒レーザーパルスを４分割する、４パルス列生成装置の構成図（非特許文献１のＦｉｇ２）である。 図２は、発明者がすでに提案した、フェムト秒レーザーパルスを４分割する、４パルス列生成装置の構成図（非特許文献２のＦｉｇ２）である。 図３は、発明者がすでに提案した、４パルス列生成装置の説明図である。 図４は、本発明であるフェムト秒レーザーパルスを１６分割する、１６パルス列生成装置の構成図である。

以下、添付の図面を参照し、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は下記形態例に限定されるものではない。

図４に示すように、本発明であるフェムト秒レーザーパルスを任意の間隔で１６分割するパルス列生成装置２１は、従来の４パルス列生成装置１において、第三プリズム１０及び第二半波長板１１を除き、当該位置に、倍化要素３４を付加したものである。

したがって、実施例１の構成については、その説明の詳細は省略する。なお、図４中において、（数字）の順にパルスは進み１６列のパルスになる。

パルス列生成装置２１は、
必要に応じて備える、例えばパルス幅１００ｆｓ〜２００ｆｓの線偏光レーザーパルスを透過させ、時間幅を拡張させ、パルス幅１ピコ秒（ｐｓ）程度の線偏光レーザーパルスｓ（０）に調整するパルスストレッチャー２２と、
線偏光レーザーパルスｓ（０）を透過させ、線偏光方向を４５°回転させ水平波（ｓ）と垂直波（ｐ）が５０％ずつの成分の線偏光ｓ／ｐ（１）にする第一半波長板２と、
ｓ／ｐ（１）の進行方向を反射（例えば９０°）させる第一プリズム３と、
ｓ／ｐ（１）からｓ成分の進行方向を反射（例えば９０°）させるとともにｐ成分を透過させる第一スプリッタ４と、
反射したｓ（１）を進行方向逆向きに反射する第一固定ミラー６と、
第一固定ミラー６と第一スプリッタ４の光路の間に配置され、ｓ（１）をｐ（２）に変換する第一１／４波長板５と、
透過したｐ（１）の進行方向を反射（例えば９０°）させる第二プリズム７と、
反射したｐ（１）を進行方向逆向きに反射する第一移動ミラー９と、
第一移動ミラー９と第二プリズム７の光路の間に配置され、ｐ（１）をｓ（２）に変換する第二１／４波長板８と、
第一スプリッタ４に再度到達し透過したｐ（２）及び第一スプリッタ４で反射させられたｓ（２）を透過させ、それぞれｓ／ｐ（３）に変換する第二半波長板１１と、
ｓ／ｐ（３）の内、ｓ（３）を反射させ、ｐ（３）を透過させる第二スプリッタ２３と、
透過したｐ（３）を透過、進行方向逆向きに反射させつつｐ（３）をｓ（４）に変換する第五１／４波長板２７及び第二固定ミラー２８と、
反射したｓ（３）の進行方向を反射させる第四プリズム２４と、
反射したｓ（３）を進行方向逆向きに反射する第三移動ミラー２６と、
第三移動ミラー２６と第四プリズム２４の光路の間に配置され、ｓ（３）をｐ（４）に変換する第四１／４波長板２５と、
第二スプリッタ２３で反射したｓ（４）及び第二スプリッタ２３を透過したｐ（４）を透過させ、それぞれｓ／ｐ（５）に変換する第四半波長板２９と、
ｓ（４）及びｐ（４）と進行方向軸をズラし逆向きにｓ／ｐ（５）を反射する第五プリズム３０（第四半波長板２９は、第五プリズム３０の後段に配置しておもよい）と、
第二スプリッタ２３を透過したｐ（５）を第四プリズム２４によって第三移動ミラー２６と異なる方向に反射したものを逆向きに反射させる第四移動ミラー３２と、
第四移動ミラー３２と第四プリズム２４の光路の間に配置され、ｐ（５）をｓ（６）に変換する第六１／４波長板３１と、
第二スプリッタ２３で反射したｓ（５）は第二固定ミラー２８に反射、第五１／４波長板２７を通過してｐ（６）に変換され、第二スプリッタ２３を透過し、また、
第二スプリッタ２３を透過したｐ（５）は上述したようにｓ（６）に変換されたうえで、第二スプリッタ２３で反射して、それぞれ第二半波長板１１に戻り、透過して、それぞれｓ／ｐ（７）になり、第一スプリッタ４を透過したｐ（７）は、第一固定ミラー６で進行方向逆向きに反射しつつ第一１／４波長板５を透過してｓ（８）に変換され、
第一スプリッタ４で反射したｓ（７）は、第二プリズム７に向かい、第一移動ミラー９と異なる方向に反射したものを逆向きに反射させる第二移動ミラー１３と、
第二移動ミラー１３と第二プリズム７の光路の間に配置され、ｓ（７）をｐ（８）に変換する第三１／４波長板１２と、
第一スプリッタ４で反射したｓ（８）と、第一スプリッタ４を透過したｐ（８）を、８つのｓ（８）及び８つのｐ（８）とする１６分割のｓ／ｐ（９）に変換する第三半波長板１４と、
必要に応じて、分割後、各パルスの時間幅を短縮するパルスコンプレッサ３３を備えてなる。

これにより、フェムト秒レーザーパルスを、任意の間隔で１６分割する。任意の間隔は、移動ミラーの移動を調節することで、分離されたレーザービームの光路距離差を利用して制御する。

パルスストレッチャー２２は、必要に応じて、第一半波長板２の前段光路に配置され、線偏光レーザーパルスの時間幅（パルス幅）を拡張する、概ね１ｐｓ。これにより、パルスストレッチャーを備えることで、レーザーパルスのピークパワーを低くでき、ミラー損傷を低減できる。このことにより、16パルス列生成が安定に行える。

パルスコンプレッサ３３は、必要に応じて、出射前段（光路末端）に配置され、目的の分割数に分割された各パルスの時間幅を短縮、整形する。これにより、パルス列間の分離性（分解能）を高めることができる。短い時間幅（ｆｓ）において、多数のパルス列、１６，３２列に分割にすると、パルス同士の重なりが問題になってくるため、パルスコンプレッサ３３で整形することで多数分割パルス列の利用範囲を広めることができる。

フェムト秒レーザーパルスを任意の間隔で３２分割するパルス列生成装置は、実施例１において、第五１／４波長板２７及び第二固定ミラー２８を除き、当該位置に第二半波長板１１が位置する倍化要素３４を追加配置してなる。

さらに、追加すれば、６４分割のパルス列生成装置となるが、各パルス間の分離能が低いこともあるが、そもそも、そのようなパルス列の用途がない。

本発明は、小型電子加速器による大強度電磁波放射装置、放射線化学、非破壊分子診断、電磁波によるセキュリティー診断装置に利用でき、医療用分野において、低コスト、省スペースで、医療用高周波加速器などを提供することができる。

より具体的には、ＴＨｚ電磁波発生をＦＥＬで行う場合、従来の方法では３ｍ近いアンジュレータ電磁石が必要であったが、本光学部品によりＰｒｅ−Ｂｕｎｃｈｅｄ ＦＥＬを行えば、０．５ｍ 以内のアンジュレータ電磁石によりＦＥＬ飽和状態が実現できる。これにより加速器を小型化できる。

レーザーマイクロパルストレインと電子ビームによるポンプ・プローブ実験により高速の分子反応ダイナミックス研究が可能になる。

１ ４パルス列生成装置
２ 第一半波長板
３ 第一プリズム
４ 第一スプリッタ
５ 第一１／４波長板
６ 第一固定ミラー
７ 第二プリズム
８ 第二１／４波長板
９ 第一移動ミラー
１０ 第三プリズム
１１ 第二半波長板
１２ 第三１／４波長板
１３ 第二移動ミラー
１４ 第三半波長板
２１ １６パルス列生成装置
２２ パルスストレッチャー
２３ 第二スプリッタ
２４ 第四プリズム
２５ 第四１／４波長板
２６ 第三移動ミラー
２７ 第五１／４波長板
２８ 第二固定ミラー
２９ 第四半波長板
３０ 第五プリズム
３１ 第六１／４波長板
３２ 第四移動ミラー
３３ パルスコンプレッサ
３４ 倍化要素

Claims (4)

1. 線偏光レーザーパルスｓ（０）を透過させ、線偏光方向を４５°回転させ水平波（ｓ）と垂直波（ｐ）が５０％ずつの成分の線偏光ｓ／ｐ（１）にする第一半波長板と、
   ｓ／ｐ（１）の進行方向を反射させる第一プリズムと、
   ｓ／ｐ（１）からｓ成分の進行方向を反射させるとともにｐ成分を透過させる第一スプリッタと、
   反射したｓ（１）を進行方向逆向きに反射する第一固定ミラーと、
   前記第一固定ミラーと前記第一スプリッタの光路の間に配置され、ｓ（１）をｐ（２）に変換する第一１／４波長板と、
   透過したｐ（１）の進行方向を反射させる第二プリズムと、
   反射したｐ（１）を進行方向逆向きに反射する第一移動ミラーと、
   前記第一移動ミラーと前記第二プリズムの光路の間に配置され、ｐ（１）をｓ（２）に変換する第二１／４波長板と、
   前記第一スプリッタに再度到達し透過したｐ（２）及び前記第一スプリッタで反射させられたｓ（２）を透過させ、それぞれｓ／ｐ（３）に変換する第二半波長板と、
   ｓ／ｐ（３）の内、ｓ（３）を反射させ、ｐ（３）を透過させる第二スプリッタと、
   透過したｐ（３）を透過、進行方向逆向きに反射させつつｐ（３）をｓ（４）に変換する第五１／４波長板及び第二固定ミラーと、
   反射したｓ（３）の進行方向を反射させる第四プリズムと、
   反射したｓ（３）を進行方向逆向きに反射する第三移動ミラーと、
   前記第三移動ミラーと前記第四プリズムの光路の間に配置され、ｓ（３）をｐ（４）に変換する第四１／４波長板と、
   前記第二スプリッタで反射したｓ（４）及び前記第二スプリッタを透過したｐ（４）を透過させ、それぞれｓ／ｐ（５）に変換する第四半波長板と、
   ｓ（４）及びｐ（４）と進行方向軸をズラし逆向きにｓ／ｐ（５）を反射する第五プリズム３０と、
   前記第二スプリッタを透過したｐ（５）を前記第四プリズムによって前記第三移動ミラーと異なる方向に反射したものを逆向きに反射させる第四移動ミラーと、
   第四移動ミラーと第四プリズムの光路の間に配置され、ｐ（５）をｓ（６）に変換する第六１／４波長板と、
   前記第二スプリッタで反射したｓ（５）は前記第二固定ミラーに反射、前記第五１／４波長板を通過してｐ（６）に変換され、前記第二スプリッタを透過し、また、
   前記第二スプリッタを透過したｐ（５）はｓ（６）に変換されたうえで、前記第二スプリッタで反射して、それぞれ前記第二半波長板に戻り、透過して、それぞれｓ／ｐ（７）になり、前記第一スプリッタを透過したｐ（７）は、前記第一固定ミラーで進行方向逆向きに反射しつつ前記第一１／４波長板を透過してｓ（８）に変換され、
   前記第一スプリッタで反射したｓ（７）は、前記第二プリズムに向かい、前記第一移動ミラーと異なる方向に反射したものを逆向きに反射させる第二移動ミラーと、
   前記第二移動ミラーと前記第二プリズムの光路の間に配置され、ｓ（７）をｐ（８）に変換する第三１／４波長板と、
   前記第一スプリッタで反射したｓ（８）と、前記第一スプリッタを透過したｐ（８）を、８つのｓ（８）及び８つのｐ（８）とする１６分割のｓ／ｐ（９）に変換する第三半波長板と、
   からなり、
   直線偏光レーザーパルスを、１６列のフェムト秒パルスに分割することを特徴とする
   パルス列生成装置。
2. 前記線偏光レーザーパルスの時間幅を拡張するパルスストレッチャーを、前記第一半波長板の前段光路に配置したことを特徴とする請求項１に記載のパルス列生成装置。
3. 目的の分割数に分割された各パルスの時間幅を短縮するパルスコンプレッサを、前記光路末端に配置したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパルス列生成装置。
4. 前記第五１／４波長板及び前記第二固定ミラーを除き、当該位置に第二半波長板が位置する倍化要素を追加配置して、直線偏光レーザーパルスを、３２列のフェムト秒パルスに分割することを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のパルス列生成装置。