高エネルギー粒子パルス発生用装置および方法
高エネルギー粒子パルスの発生装置が提供される。この装置は、１０18Ｗ／ｃｍ2より大きく、好ましくは１０20Ｗ／ｃｍ2（ワット／平方センチメートル）より大きなピーク強度に集束されることができる、パルス幅が１００ｆｓ（フェムト秒）より短いレーザーパルスを発生させるレーザーシステムと、前記少なくとも１パルスのレーザーパルスに付随する時間的強度プロファイルを、レーザーコントラストが１０5以上、好ましくは１０7以上、特に１０10に高まるように整形する装置と、少なくとも１パルスの前記レーザーパルスが照射されると、高エネルギー粒子パルス、特に電子または陽子パルス、を放出することができるターゲットとを備える。この装置を用いた対応する方法も記載される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広義には、パルス幅（pulse length, パルス持続時間）が１００ｆｓ（フェムト秒）より短く、１０18Ｗ／ｃｍ2（ワット／平方センチメートル）より大きなピーク強度に集束させることができるレーザーパルスを発生させるレーザーシステムと、該レーザーパルスの少なくとも１パルスが照射されると高エネルギー粒子パルスを放出することができるターゲットとを用いた、高エネルギー粒子パルスの発生装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄いターゲットの表面に超高強度の超短レーザーパルスを集束（集光）させると、数百ＧＶ／ｍ（ギガボルト／メートル）より大きな非常に強い電界を発生させることができ、この電界はターゲットから粒子、例えば、電子またはイオン、を高エネルギーに加速して、サイクロトロンなどの従来の粒子加速器に比べて非常に短いパルス幅スケールで平行化パルスビーム(collimated and pulsed beam)にすることができる。基本的には、衝突する強力なレーザーパルスに応答して、電子は相対論的エネルギーに加速され、熱膨張および／または動重力的電子放出によりターゲットから射出される。その後、この高エネルギー電子の発生中または発生直後の電荷分離に起因して創出される非常に強力な静電界によりイオン加速が引き起こされる。特に加速陽子が観察された。これらの粒子は、例えばターゲットの前面および／または後面に吸収された不純物あるいは多層ターゲットの陽子の多い外層が起点となる。
【０００３】
これらのコンパクトな粒子加速器への関心は、特に医学および／または放射線医学用途の面から近年増大している。一方で、加速された電子または陽子もしくは炭素イオンのような軽イオンは、ガン組織を粒子束に暴露することによってガン治療のための放射線療法に直接利用されることが多い。他方では、高エネルギー粒子は電磁相互作用または核反応を誘導することができる。従って、それらを使用して、短波長の光子、例えば、紫外線もしくはＸ線を送出し、または核医学、医学的診断または放射線医学における画像化に利用することができる同位体を発生させることができる。
【０００４】
米国特許公開２００２／０１７２３１７には、高エネルギー粒子を発生させ、核反応を誘導する方法および装置が開示されている。この装置は、超短パルス持続時間で高強度のレーザービームを放出するレーザーと、そのレーザービームを受けて平行ビームの高エネルギー粒子を発生する照射ターゲットとを備える。高エネルギー粒子の平行ビームは核を含む第２のターゲットに衝突させて、第２ターゲット内で核反応を誘導してもよい。この米国特許公開２００２／０１７２３１７の全開示内容を本明細書中に参考のために援用する。
【０００５】
一般に、加速粒子のエネルギーはレーザー光強度が増大するほど増大する。しかし、加速粒子のエネルギー収率は制限されることが判明した。これは、レーザーパルスの時間依存性強度構造：メインレーザーパルスにはペデスタル強度、換言すると、パルスの立ち上がり（上昇）エッジ部の前にある前駆強度とパルスの立ち下がり（下降）エッジ部の後に続く後続強度とが付随していこと、に起因する。本質的に一定であるか、メインレーザーパルスに対してゆっくり変動することが多いこのペデスタル強度は、基本的にはレーザーシステムにおける自然放出光子の増幅（増幅自然放出、ＡＳＥ）により創出される。それはまた、さらなる強度スパイク、グリッチもしくはサイドローブ（例えば、プリパルス）を伝えることもある。メインレーザーパルスが１ｐｓより短いのに対し、ペデスタル強度の持続時間は数桁もより長いことがあり、ｎｓ（ナノ秒）の時間スケールに達することさえある。相互作用するレーザーパルスのピーク強度をある限度を超えて増大させると、ペデスタル強度の大きさは、メインパルスのピーク強度がターゲットに到達する前にターゲットをイオン化して、実質的なプリプラズマ（密度不足 <under-dense> なプラズマ）を生じるのに十分なものとなることがある。典型的には、このイオン化は１０10〜１０11Ｗ／ｃｍ2で始まり、約１０13〜１０14Ｗ／ｃｍ2で顕著となる。この場合、相互作用が起こると、粒子を高エネルギーに加速するのを弱めるか損なう別の物理的反応を伴う望ましくない密度不足プラズマの状態になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
解決すべき技術的課題は、超高強度の超短レーザーパルスが照射されたターゲットでのプリプラズマの発生の影響を低減するか、または発生を回避することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、請求項１に記載の要件を備えた装置および／または請求項９に記載の要件を備えた方法により解決される。さらなる改善ならびに有利な態様および改良は従属請求項に記載された要件により規定される。
【０００８】
本発明によれば、高エネルギー粒子パルスの発生装置が提供される。この装置は、パルス幅が１ｐｓ（ピコ秒）より短く、好ましくは１００ｆｓ（フェムト秒）より短く、かつ１０18Ｗ／ｃｍ2より大きく、好ましくは１０20Ｗ／ｃｍ2（ワット／平方センチメートル）より大きなピーク強度に集束されることができるレーザーパルスを発生させるレーザーシステムと、前記少なくとも１パルスのレーザーパルスに付随する時間的強度プロファイル（例、その直前および／もしくは直後の、またはそれと同伴する、またはそのサイドウイング（サイド翼）を変形させる、ならびに／またはそのパルスの）を、レーザーコントラストを１０5以上、好ましくは１０7以上、特に１０10、に高めるよう整形（shaping、波形整形）する装置と、前記レーザーパルスの少なくとも１パルスが照射されると、高エネルギー粒子パルス、特に電子または陽子パルス、を放出することができるターゲットとを備える。レーザーコントラストとは、レーザーパルスのペデスタル強度に対するピーク強度の比である。換言すると、本装置は、好ましくはレーザーパルスのピークパワーを変化させずに、レーザーパルスの立ち上がり時間に影響する要素、特にそれを短縮することができる要素、を備えている。有利には、メインレーザーパルス（メインパルス）を持つレーザー出力を整形する。時間的強度プロファイル（temporal intensity profile）を整形する装置は、そのパルスのメインレーザー周波数を本質的に変化させることがないものである。この装置は、レーザーシステムそれ自体の一部とすることができ、あるいはレーザーシステムを出たがターゲットとの相互作用が起こる前のレーザーパルスに作用するように構成してもよい。具体例は、粒子パスを小さなエミッタンスまたは拡散（発散）で示されるように平行化することである。
【０００９】
有利には、本装置は、加速粒子、特に電子および陽子の到達可能なエネルギーの増大を生ずる。プリプラズマの発生を避けることができると同時に、相互作用におけるレーザーパルスピーク強度を増大させることができる。ペデスタル強度の存在下で必要なターゲットより薄いターゲットを使用することも可能となる。
【００１０】
好適態様において、時間的強度プロファイルを整形する装置は、該レーザーパルスの翼（ウィング）の少なくとも１つ、特に付随するペデスタル強度パルスを構成する翼である該レーザーパルスの立ち上がり翼または立ち上がりエッジ部、の強度を低減させることができる。換言すると、この装置は、特にレーザーパルスのピークパワーを本質的に変化させずに保持しながら、ペデスタルパワーを低減させる非線形フィルターまたは非線形減衰装置を含むことができる。この有利な様式では、ペデスタル強度はターゲットとの相互作用の前に該レーザーパルスから取り除かれる。
【００１１】
有利な態様では、時間的強度プロファイルを整形する装置は強度依存性の透過または強度依存性の反射を示す。
高エネルギー粒子パルスを発生させる装置の具体的実現例において、時間的強度プロファイルを整形する装置は、プラズマミラー、非線形サニャック干渉計、非線形偏光回転装置、飽和吸収フィルター、または高速（fast）ポッケルスセル、特に光スイッチ型高速ポッケルスセルを備えることができる。
【００１２】
本発明に係る装置の好ましいレーザーシステムは、０.６Ｊより大きい出力エネルギー、２０ＴＷより大、特に１００ＴＷより大きい出力パワー、および５Ｈｚより大きく、特に１０Ｈｚ以上の繰返し周波数を持ち、４０ｆｓ（フェムト秒）より短く、特に３０ｆｓより短く、例えば、２５ｆｓのレーザーパルスを発することができる、自己モードロック型のＴｉ：サファイアレーザーのチャープパルス増幅（ＣＰＡ）設備、特にダブルＣＰＡレーザーシステムである。
【００１３】
ターゲットは、ガスジェット、または薄膜水カーテン、または液滴ジェット、または固体金属ドーテッド（metal-doted）プラスチックポリマーとすることができる。ターゲットは真空チャンバー内に配置することができる。具体的にはターゲットの厚みは数ミクロンのオーダー、特に１５ミクロン以下とすることができる。薄いターゲットにより、強力な粒子加速を生ずる強い電界を得ることが可能となる。
【００１４】
一部の態様では、ターゲットの材質、形状および寸法を、ターゲットが１ＭｅＶ以上のエネルギーの電子を放出することができるように選択することが好ましい。具体的には、１ＧｅＶまでのエネルギーの電子を発生させることができる。
【００１５】
別の態様では、レーザーコントラストが１０6より大きく、特にレーザーピーク強度が１０19Ｗ／ｃｍ2より大きく、そしてターゲットの材質、形状および寸法を、ターゲットが１ＭｅＶ以上のエネルギーの陽子を放出できるように選択することが好ましい。具体的には、４００ＭｅＶまでのエネルギーの陽子を発生させることができる。ターゲットは厚みわずか数ミクロンの固体ターゲットとすることができる。
【００１６】
例えば、医学および放射線医学分野での可能な用途を考慮して、本発明に係る装置は、前記高エネルギー粒子パルスを整形するための変換装置を含むことができる。この変換装置は、エネルギー分布、伝搬方向、エミッタンス、拡散、フルーエンスまたは角度分布のようなビーム特性を変更するために粒子フィルターおよび／または磁石を含むことができる。
【００１７】
高エネルギー粒子パルスを発生させる方法も提供される。この方法においては、パルス幅が１ｐｓより短く、好ましくは１００ｆｓより短く、かつ１０18Ｗ／ｃｍ2より大きく、好ましくは１０20Ｗ／ｃｍ2より大きなピーク強度に集束されることができるレーザーパルスが発生する。このレーザーパルスの少なくとも１パルスに付随する時間的強度プロファイルを整形して、レーザーコントラストを１０5以上、好ましくは１０7以上、特に１０10に高める。その後、照射により高エネルギー粒子パルス、特に電子パルスまたは陽子パルスを放出することができるターゲットに前記の整形されたレーザーパルスの少なくとも１パルスを照射する。
【００１８】
本発明に係る方法の好適態様においては、少なくとも１パルスのレーザーパルスを真空条件下で前記ターゲットに伝搬する。ターゲット自体での相互作用も真空条件下で行われる。両方の手段が互いに独立して作用し、レーザーパルスの劣化の危険性が有利に低減される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る装置および方法は、医学用途、放射線医学用途、放射線生物学用途、放射線化学用途、または物理工学、特に加速器物理学若しくは材料工学における用途に広範かつ有利に使用することができる高エネルギー粒子を提供する。
【００２０】
さらなる改良、改善、ならびに有利な態様、特色および特徴は、以下に記載し、添付図面を参照しながらより詳しく説明する。以下の好適態様を示しながらの詳細な説明および具体例は、例示を目的とするものであって、本発明の範囲を不当に制限する意図はない。
【００２１】
本発明のさまざまな特色、利点および可能な使用は以下の説明および添付図面からより明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１には、高エネルギー粒子パルスの発生装置の１好適態様のトポロジー（接続形態）の概要が示されている。レーザーシステム１０は、１０18Ｗ／ｃｍ2より大きなピーク強度に集束させることができる、サブピコ秒（ピコ秒未満）の超高強度レーザーパルス列１４を放出することができる。レーザーシステム１０は、発射されたレーザー光またはレーザー出力の時間的強度プロファイルを整形する装置１２を含んでいる。レーザー出力は、有利には急峻な立ち上がりエッジ部（図２も参照）を有するサプピコ秒レーザーパルス１４から構成される。光導波路素子、拡散（発散）またはエミッタンス転換素子などから構成しうる送り出し光学系２２（図１では単純なミラーにより示されている）が、レーザーパルス１４を反応または相互作用部に案内する。レーザーパルスは放物面鏡２４によってターゲット１６に集束（集光）される。ターゲット１６は好ましくは、レーザーパルス１４の焦点に、または焦点近傍、例えば、焦点のレイリー範囲内、に配置される。ターゲット１６は表面層１８を有し、この表面層は吸着された炭化水素、例えば、プロトンに富むか水素に富む材料（微視的な層）と、プロトンに富む材料、例えば、有機ポリマーからなるターゲット１６上に受容された層（巨視的な層）のいずれでもよい。レーザーパルス１４がターゲット１６と相互作用すると、ターゲット１６の後面に本質的に垂直に出て行く高度に平行化された（非常に低エミッタンスの）粒子パルス２０を生ずる。図１に示した態様はまた、生じた粒子パルス２０の伝搬方向、エネルギー分布、フルーエンス、拡散またはエミッタンスのようなパラメータを変化させて、医学または放射線医学用途に使用しうる整形された粒子パルス２８にすることができる変換装置２６も含んでいる。
【００２３】
図２は、レーザーパルス１４の時間的プロファイルを整形する装置１２が本発明に係る２つの可能な配置でレーザーシステム１０と共働することができる仕組みを説明するための図である。図２の上部において、発信器（オシレータ）３０、前置増幅器（プリアンプ）３２および主増幅器（メインアンプ）３４から構成されるレーザーシステム１０は、ペデスタル強度３８にかぶさったサブピコ秒レーザーパルス１４の形態のレーザー出力３６を有する。このペデスタル強度３８は、時間的強度プロファイルを整形する装置１２により除去または抑制することができる。この装置１２から出力される結果は、急激またはシャープに立ち上がるエッジを特色とし、本発明で使用可能なクリーンなサブピコ秒レーザーパルス１４である。図２の下部では、予備増幅されたシードパルス４０を発生するように発信器３０と前置増幅器３２とが共働する。かかる増幅は、パルスエネルギーをナノジュールからミリジュールレベルに増大させる。レーザーコントラストの劣化の主な寄与は予備増幅段階から始まる。時間的強度プロファイルを整形する装置１２は予備増幅されたシードパルス４０をサブピコ秒シドパルス４２に変換し、このシードパルス４２はその後に主増幅器３４により増幅されて、本発明で使用可能なサブピコ秒レーザーパルス１４になる。
【００２４】
図３には本発明に係る装置に使用するレーザーシステムの好適態様のスキームが示されている。このレーザーシステムはいわゆるダブルＣＰＡレーザーシステムである。モード結合型発信器３０は、アルゴンイオンレーザーによりポンピングされるチタン：サファイア結晶を備える。発信器３０の出力はフェムト秒パルス、具体的にはエネルギーが２ｎＪで繰返し周波数が約８８ＭＨｚの本質的に１５ｆｓ長のフェムト秒パルスからなる。発信器３０のパルスは、ストレッチャ４４において一対の光学回折格子（グレーティング）によりストレッチされ（パルスチャープ）、その後に音響光学変調器を用いて、発信器３０およびストレッチャ４４を出た高周波パルス列から周波数１０Ｈｚの個々のパルスを選択する。その後、本質的に４００ｐｓ長でエネルギーが約５００ｐＪのパルスが８パス（８回通過）の前置増幅器３２に入る。前置増幅器３２は、周波数が１０Ｈｚで、エネルギーが２００ｍＪ／パルスの周波数二倍化パルス化Ｎｄ：ＹＡＧレーザーによりポンピングされる。ストレッチャ４４と前置増幅器３２とは、偏光子間にポッケルスセルの配置を用いて光学的に隔離される。前置増幅器３２の出力は空間フィルター４６（無限焦点ｘ４）を通過し、２ｍＪ／パルスのエネルギーを伝える。今度は、１０Ｈｚのパルス列が部分的または完全に再圧縮され（コンプレッサ５２、パルス脱チャープ）、時間的強度プロファイル（予備増幅後の好ましいトポロジー）を整形する装置１２を通過する。上に既に述べたように、予備増幅段階の直後にレーザーコントラストを増大させることが有利である。かかる装置１２のより具体的ないくつかの態様は、添付の図４〜７も参照しながら、後で詳述する。
【００２５】
装置１２の次には第２のストレッチャ４４（パルスチャープ）と、主増幅器３４とが続く。主増幅器３４は、１０Ｈｚでエネルギーが１Ｊ／パルスの周波数二倍化パルス化Ｎｄ：ＹＡＧレーザーによりポンピングされる５パスの第１パワー増幅器４８から構成される。２００ｍＪのエネルギーに増幅されたパルスは空間フィルター４６、好ましくは真空空間フィルター（無限焦点ｘ４）を通過し、主増幅器３４の４パスの第２パワー増幅器５０に入る。第２パワー増幅器５０の結晶は温度１２０Ｋの低温チャンバーに収容されている。次のようにいくつかの周波数二倍化パルス化Ｎｄ：ＹＡＧレーザーがこの増幅段階をポンピングする：１.７Ｊの３個のレーザー、１.５Ｊの３個のレーザー、そして１.７Ｊの１個のレーザーを使用する。この配置は４００ｐｓ長で３.５Ｊのエネルギーを有するパルスの出力を生ずる。第２の増幅後に、空間フィルター４６、好ましくは真空空間フィルター（無限焦点ｘ１）を通過させる。パルスは最終的に一対の光学回折格子を用いて真空圧縮器５２で圧縮され（パルス脱チャープ）、２５ｆｓ長でエネルギーが２.５のパルスに到達する。
【００２６】
この時点で、カー（Kerr）レンズ・モードロック方式に基づいた発信器のフェムト秒パルスが９〜１０桁にまで達する大きさの非常に高いレーザーコントラストを持つ時間的強度プロファイルを示すことを指摘しておくことは価値がある。自然放出を増幅して、非常に高いレーザーコントラストを損なうか、または劣化させるのは、別のいくつかの増幅段階のレベルである。それにもかかわらず、高エネルギー粒子パルスを発生させるための装置に使用される上記装置では、レーザーパルスピーク強度に到達するために、ＣＰＡレーザーシステムを採用する必要がある。
【００２７】
さらに、発信器からのシードレーザーパルスを約１０μＪに直接増幅する時に、このシードパルスをさらなる増幅のためにストレッチ（チャープ）する前に、ナノ秒の時間スケールのペデスタル強度を生ずる増幅自然放出（ＡＳＥ）を、飽和吸収体を用いた非線形フィルターにより抑制することができる。
【００２８】
図４は、時間的強度プロファイルを整形する装置１２の有利な１態様として使用される非線形サニャック干渉計５４の原理的構成を説明する図面である。光はリング形状の干渉計５４を通って光路５６上を進んでいる。光はビームスプリッタ５８により案内されて干渉計５４に入り、２つのミラー６０により形成されたリングを通って光路５６を両方向に進む。その光路５６上で、光は一対のチャープミラー６２およびｎ２物質６４、すなわち、強度依存性の光学屈折率を有する物質、を通過する。この配置により、サニャック干渉計の強度依存性の応答または透過を意味する非線形の挙動を達成することができる。すなわち、ペデスタル強度３８に重なるサブピコ秒パルス１４からなる光は、強度依存性の反射および透過を受ける。ペデスタル強度３８の強度レベルの光はペデスタル強度３８の反射が起こるようにサニャック・リング干渉計内で干渉を受けるのに対し、干渉計５４の有効光路長に影響することができるサブピコ秒パルス１４の強度レベルの光は、サブピコ秒パルス１４の透過が起こるように干渉を受ける。
【００２９】
図５は、時間的強度プロファイルを整形する装置１２の別の有利な態様に使用される非線形偏光回転装置を表示する。サブピコ秒パルスとペデスタル強度とを含む入力時間的強度プロファイルは、第１位相板６６、集束（フォーカシング）レンズ６８、空間フィルター装置として作用するピンホール７２、脱集束（デフォーカシング）レンズ７４、および第２位相板６６を順に通過する。この態様は空気中における誘導非線形複屈折を利用する。すなわち、偏光子７４は、サブピコ秒パルス１４が第１方向に線形偏光を獲得したのに対し、ペデスタル強度３８は第１方向と垂直の第２方向に線形偏光を獲得したことを表している。
【００３０】
図６には、高速ポッケルスセルを用いたレーザーパルスの時間的プロファイルを整形する装置１２の配置が略図で示されている。光路５６を進む光は、ビームスプリッタ５８により２つの部分に分離される。第１部分はミラー６０で反射され、光スイッチ式ポッケルスセルであるポッケルスセル８０の高速スイッチとして作用する光伝導体８２に衝突する。第２部分は、その光路を並進方向７８内で変えることができる光遅延ライン７６を通って進む。光遅延ライン７６を出た光はポッケルスセル８０内に結合され、光の第１部分が光伝導体８２に衝突することにより高速スイッチが閉じている場合には、その偏光方向を回転させてポッケルスセル８０を横断し通過する。光スイッチ式ポッケルスセルの反応時間は５０ｐｓ程度であり、ジッターは２ｐｓより短い。このような配置は、部分的または完全に再圧縮された光パルスの時間的プロファイルを整形するのに有利に使用することができる。すなわち、光の第１部分がスイッチを閉じつつあり、光の第２部分がまさにポッケルスセル８０に到着している時の事象の慎重な時間の相関関係によって、ポッケルスセル８０より下流の偏光子８４を通る透過が、ペデスタル強度だけが存在する場合には遮断され、ある強度閾値を超えて、例えば、サブピコ秒パルスが到達すると、偏光子８４を通る透過が可能となるように、ポッケルスセル８０を動作させ、または動作解除することができる。
【００３１】
図７は、時間的プロファイルを整形する装置１２の別の態様としてプラズマミラー８６を用いた本発明に係る装置の態様に関する。プラズマミラー８６は、基本的には透明板から構成されるが、この透明板は、その表面に低光束で衝突すると普通の反射率（フレネル反射に似た）を示し、高光束ではブレークダウンを受けてプラズマになり、結果として増大した反射率を示す。この態様では、レーザーコントラストの増大は、フレネルからプラズマ領域への反射率の増大と本質的に同じ大きさだけ達成することができる。プラズマミラー８６上に集束される光が高密度であるほど、誘起プラズマの温度が高くなり、従って反射率が向上する。１つの時間的強度プロファイルを持つある衝突光パルスに対して複数のプラズマミラーを次々に使用すると、レーザーコントラストをさらに一層増大させることができる。プラズマミラー８６を使用するための実際的かつ有利な配置を図７に示す。光はミラー６０を経て光路５６上を進み、プラズマミラー８６に光を集束させるオフアクシスの放物面鏡９０に達する。プラズマミラー８６は、無反射層８８で被覆されている。プラズマミラー８６がブレークダウンのためにプラズマになると、光は反射されて、オフアクシスの放物面鏡９０により集束が解除され、第２のミラー６０によりさらに案内される。この配置は有利には真空チャンバー９２内に配置される。このような設備の典型的な寸法は、長さが５ｍ、幅が０.４ｍである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る装置の１態様のトポロジーの概要図である。
【図２】レーザーパルスの時間的プロファイルを整形する装置がレーザーシステムと一緒に動作することができる方式に関する２つの可能な配置を示す。
【図３】本発明に係る装置に使用されるチャープパルス増幅（ＣＰＡ）レーザー設備の好適態様のスキームを示す。
【図４】非線形サニャック干渉計の原理的構成を説明する図である。
【図５】本発明に係る装置の１態様に使用される非線形偏光回転装置を示す。
【図６】高速ポッケルスセルを用いたレーザーパルスの時間的プロファイルを整形する装置の配置を示す。
【図７】時間的プロファイルを整形する装置としてプラズマミラーを用いた本発明に係る装置の１態様に関する。
【符号の説明】
【００３３】
１０：レーザーシステム、１２：時間的強度プロファイルを整形する装置、１４：サブピコ秒レーザーパルス、１６：ターゲット、１８：表面層、２０：粒子パルス、２２：送り出し光学系、２４：放物面鏡、２６：変換装置、２８：整形された粒子パルス、３０：発信器、３２：前置増幅器、３４：主増幅器、３６：レーザー出力、３８：ペデスタル強度、４０：予備増幅されたシードパルス、４２：サブピコ秒シードパルス、４４：ストレッチャ、４６：空間フィルター、４８：第１パワー増幅器、５０：第２パワー増幅器、５２：圧縮器、５４：非線形サニャック干渉計、５６：光路、５８：ビームスプリッタ、６０：ミラー、６２：一対のチャープ・ミラー、６４：ｎ２物質、６６：位相板、６８：集束レンズ、７０：集束解除レンズ、７２：ピンホール、７４：偏光子、７６：光遅延ライン、７８：並進方向、８０：ポッケルスセル、８２：光伝導体、８４：偏光子、８６：プラズマミラー、８８：無反射層、９０：オフアクシス放物面鏡、９２：真空チャンバー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広義には、パルス幅（pulse length, パルス持続時間）が１００ｆｓ（フェムト秒）より短く、１０18Ｗ／ｃｍ2（ワット／平方センチメートル）より大きなピーク強度に集束させることができるレーザーパルスを発生させるレーザーシステムと、該レーザーパルスの少なくとも１パルスが照射されると高エネルギー粒子パルスを放出することができるターゲットとを用いた、高エネルギー粒子パルスの発生装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄いターゲットの表面に超高強度の超短レーザーパルスを集束（集光）させると、数百ＧＶ／ｍ（ギガボルト／メートル）より大きな非常に強い電界を発生させることができ、この電界はターゲットから粒子、例えば、電子またはイオン、を高エネルギーに加速して、サイクロトロンなどの従来の粒子加速器に比べて非常に短いパルス幅スケールで平行化パルスビーム(collimated and pulsed beam)にすることができる。基本的には、衝突する強力なレーザーパルスに応答して、電子は相対論的エネルギーに加速され、熱膨張および／または動重力的電子放出によりターゲットから射出される。その後、この高エネルギー電子の発生中または発生直後の電荷分離に起因して創出される非常に強力な静電界によりイオン加速が引き起こされる。特に加速陽子が観察された。これらの粒子は、例えばターゲットの前面および／または後面に吸収された不純物あるいは多層ターゲットの陽子の多い外層が起点となる。
【０００３】
これらのコンパクトな粒子加速器への関心は、特に医学および／または放射線医学用途の面から近年増大している。一方で、加速された電子または陽子もしくは炭素イオンのような軽イオンは、ガン組織を粒子束に暴露することによってガン治療のための放射線療法に直接利用されることが多い。他方では、高エネルギー粒子は電磁相互作用または核反応を誘導することができる。従って、それらを使用して、短波長の光子、例えば、紫外線もしくはＸ線を送出し、または核医学、医学的診断または放射線医学における画像化に利用することができる同位体を発生させることができる。
【０００４】
米国特許公開２００２／０１７２３１７には、高エネルギー粒子を発生させ、核反応を誘導する方法および装置が開示されている。この装置は、超短パルス持続時間で高強度のレーザービームを放出するレーザーと、そのレーザービームを受けて平行ビームの高エネルギー粒子を発生する照射ターゲットとを備える。高エネルギー粒子の平行ビームは核を含む第２のターゲットに衝突させて、第２ターゲット内で核反応を誘導してもよい。この米国特許公開２００２／０１７２３１７の全開示内容を本明細書中に参考のために援用する。
【０００５】
一般に、加速粒子のエネルギーはレーザー光強度が増大するほど増大する。しかし、加速粒子のエネルギー収率は制限されることが判明した。これは、レーザーパルスの時間依存性強度構造：メインレーザーパルスにはペデスタル強度、換言すると、パルスの立ち上がり（上昇）エッジ部の前にある前駆強度とパルスの立ち下がり（下降）エッジ部の後に続く後続強度とが付随していこと、に起因する。本質的に一定であるか、メインレーザーパルスに対してゆっくり変動することが多いこのペデスタル強度は、基本的にはレーザーシステムにおける自然放出光子の増幅（増幅自然放出、ＡＳＥ）により創出される。それはまた、さらなる強度スパイク、グリッチもしくはサイドローブ（例えば、プリパルス）を伝えることもある。メインレーザーパルスが１ｐｓより短いのに対し、ペデスタル強度の持続時間は数桁もより長いことがあり、ｎｓ（ナノ秒）の時間スケールに達することさえある。相互作用するレーザーパルスのピーク強度をある限度を超えて増大させると、ペデスタル強度の大きさは、メインパルスのピーク強度がターゲットに到達する前にターゲットをイオン化して、実質的なプリプラズマ（密度不足 <under-dense> なプラズマ）を生じるのに十分なものとなることがある。典型的には、このイオン化は１０10〜１０11Ｗ／ｃｍ2で始まり、約１０13〜１０14Ｗ／ｃｍ2で顕著となる。この場合、相互作用が起こると、粒子を高エネルギーに加速するのを弱めるか損なう別の物理的反応を伴う望ましくない密度不足プラズマの状態になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
解決すべき技術的課題は、超高強度の超短レーザーパルスが照射されたターゲットでのプリプラズマの発生の影響を低減するか、または発生を回避することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、請求項１に記載の要件を備えた装置および／または請求項９に記載の要件を備えた方法により解決される。さらなる改善ならびに有利な態様および改良は従属請求項に記載された要件により規定される。
【０００８】
本発明によれば、高エネルギー粒子パルスの発生装置が提供される。この装置は、パルス幅が１ｐｓ（ピコ秒）より短く、好ましくは１００ｆｓ（フェムト秒）より短く、かつ１０18Ｗ／ｃｍ2より大きく、好ましくは１０20Ｗ／ｃｍ2（ワット／平方センチメートル）より大きなピーク強度に集束されることができるレーザーパルスを発生させるレーザーシステムと、前記少なくとも１パルスのレーザーパルスに付随する時間的強度プロファイル（例、その直前および／もしくは直後の、またはそれと同伴する、またはそのサイドウイング（サイド翼）を変形させる、ならびに／またはそのパルスの）を、レーザーコントラストを１０5以上、好ましくは１０7以上、特に１０10、に高めるよう整形（shaping、波形整形）する装置と、前記レーザーパルスの少なくとも１パルスが照射されると、高エネルギー粒子パルス、特に電子または陽子パルス、を放出することができるターゲットとを備える。レーザーコントラストとは、レーザーパルスのペデスタル強度に対するピーク強度の比である。換言すると、本装置は、好ましくはレーザーパルスのピークパワーを変化させずに、レーザーパルスの立ち上がり時間に影響する要素、特にそれを短縮することができる要素、を備えている。有利には、メインレーザーパルス（メインパルス）を持つレーザー出力を整形する。時間的強度プロファイル（temporal intensity profile）を整形する装置は、そのパルスのメインレーザー周波数を本質的に変化させることがないものである。この装置は、レーザーシステムそれ自体の一部とすることができ、あるいはレーザーシステムを出たがターゲットとの相互作用が起こる前のレーザーパルスに作用するように構成してもよい。具体例は、粒子パスを小さなエミッタンスまたは拡散（発散）で示されるように平行化することである。
【０００９】
有利には、本装置は、加速粒子、特に電子および陽子の到達可能なエネルギーの増大を生ずる。プリプラズマの発生を避けることができると同時に、相互作用におけるレーザーパルスピーク強度を増大させることができる。ペデスタル強度の存在下で必要なターゲットより薄いターゲットを使用することも可能となる。
【００１０】
好適態様において、時間的強度プロファイルを整形する装置は、該レーザーパルスの翼（ウィング）の少なくとも１つ、特に付随するペデスタル強度パルスを構成する翼である該レーザーパルスの立ち上がり翼または立ち上がりエッジ部、の強度を低減させることができる。換言すると、この装置は、特にレーザーパルスのピークパワーを本質的に変化させずに保持しながら、ペデスタルパワーを低減させる非線形フィルターまたは非線形減衰装置を含むことができる。この有利な様式では、ペデスタル強度はターゲットとの相互作用の前に該レーザーパルスから取り除かれる。
【００１１】
有利な態様では、時間的強度プロファイルを整形する装置は強度依存性の透過または強度依存性の反射を示す。
高エネルギー粒子パルスを発生させる装置の具体的実現例において、時間的強度プロファイルを整形する装置は、プラズマミラー、非線形サニャック干渉計、非線形偏光回転装置、飽和吸収フィルター、または高速（fast）ポッケルスセル、特に光スイッチ型高速ポッケルスセルを備えることができる。
【００１２】
本発明に係る装置の好ましいレーザーシステムは、０.６Ｊより大きい出力エネルギー、２０ＴＷより大、特に１００ＴＷより大きい出力パワー、および５Ｈｚより大きく、特に１０Ｈｚ以上の繰返し周波数を持ち、４０ｆｓ（フェムト秒）より短く、特に３０ｆｓより短く、例えば、２５ｆｓのレーザーパルスを発することができる、自己モードロック型のＴｉ：サファイアレーザーのチャープパルス増幅（ＣＰＡ）設備、特にダブルＣＰＡレーザーシステムである。
【００１３】
ターゲットは、ガスジェット、または薄膜水カーテン、または液滴ジェット、または固体金属ドーテッド（metal-doted）プラスチックポリマーとすることができる。ターゲットは真空チャンバー内に配置することができる。具体的にはターゲットの厚みは数ミクロンのオーダー、特に１５ミクロン以下とすることができる。薄いターゲットにより、強力な粒子加速を生ずる強い電界を得ることが可能となる。
【００１４】
一部の態様では、ターゲットの材質、形状および寸法を、ターゲットが１ＭｅＶ以上のエネルギーの電子を放出することができるように選択することが好ましい。具体的には、１ＧｅＶまでのエネルギーの電子を発生させることができる。
【００１５】
別の態様では、レーザーコントラストが１０6より大きく、特にレーザーピーク強度が１０19Ｗ／ｃｍ2より大きく、そしてターゲットの材質、形状および寸法を、ターゲットが１ＭｅＶ以上のエネルギーの陽子を放出できるように選択することが好ましい。具体的には、４００ＭｅＶまでのエネルギーの陽子を発生させることができる。ターゲットは厚みわずか数ミクロンの固体ターゲットとすることができる。
【００１６】
例えば、医学および放射線医学分野での可能な用途を考慮して、本発明に係る装置は、前記高エネルギー粒子パルスを整形するための変換装置を含むことができる。この変換装置は、エネルギー分布、伝搬方向、エミッタンス、拡散、フルーエンスまたは角度分布のようなビーム特性を変更するために粒子フィルターおよび／または磁石を含むことができる。
【００１７】
高エネルギー粒子パルスを発生させる方法も提供される。この方法においては、パルス幅が１ｐｓより短く、好ましくは１００ｆｓより短く、かつ１０18Ｗ／ｃｍ2より大きく、好ましくは１０20Ｗ／ｃｍ2より大きなピーク強度に集束されることができるレーザーパルスが発生する。このレーザーパルスの少なくとも１パルスに付随する時間的強度プロファイルを整形して、レーザーコントラストを１０5以上、好ましくは１０7以上、特に１０10に高める。その後、照射により高エネルギー粒子パルス、特に電子パルスまたは陽子パルスを放出することができるターゲットに前記の整形されたレーザーパルスの少なくとも１パルスを照射する。
【００１８】
本発明に係る方法の好適態様においては、少なくとも１パルスのレーザーパルスを真空条件下で前記ターゲットに伝搬する。ターゲット自体での相互作用も真空条件下で行われる。両方の手段が互いに独立して作用し、レーザーパルスの劣化の危険性が有利に低減される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る装置および方法は、医学用途、放射線医学用途、放射線生物学用途、放射線化学用途、または物理工学、特に加速器物理学若しくは材料工学における用途に広範かつ有利に使用することができる高エネルギー粒子を提供する。
【００２０】
さらなる改良、改善、ならびに有利な態様、特色および特徴は、以下に記載し、添付図面を参照しながらより詳しく説明する。以下の好適態様を示しながらの詳細な説明および具体例は、例示を目的とするものであって、本発明の範囲を不当に制限する意図はない。
【００２１】
本発明のさまざまな特色、利点および可能な使用は以下の説明および添付図面からより明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１には、高エネルギー粒子パルスの発生装置の１好適態様のトポロジー（接続形態）の概要が示されている。レーザーシステム１０は、１０18Ｗ／ｃｍ2より大きなピーク強度に集束させることができる、サブピコ秒（ピコ秒未満）の超高強度レーザーパルス列１４を放出することができる。レーザーシステム１０は、発射されたレーザー光またはレーザー出力の時間的強度プロファイルを整形する装置１２を含んでいる。レーザー出力は、有利には急峻な立ち上がりエッジ部（図２も参照）を有するサプピコ秒レーザーパルス１４から構成される。光導波路素子、拡散（発散）またはエミッタンス転換素子などから構成しうる送り出し光学系２２（図１では単純なミラーにより示されている）が、レーザーパルス１４を反応または相互作用部に案内する。レーザーパルスは放物面鏡２４によってターゲット１６に集束（集光）される。ターゲット１６は好ましくは、レーザーパルス１４の焦点に、または焦点近傍、例えば、焦点のレイリー範囲内、に配置される。ターゲット１６は表面層１８を有し、この表面層は吸着された炭化水素、例えば、プロトンに富むか水素に富む材料（微視的な層）と、プロトンに富む材料、例えば、有機ポリマーからなるターゲット１６上に受容された層（巨視的な層）のいずれでもよい。レーザーパルス１４がターゲット１６と相互作用すると、ターゲット１６の後面に本質的に垂直に出て行く高度に平行化された（非常に低エミッタンスの）粒子パルス２０を生ずる。図１に示した態様はまた、生じた粒子パルス２０の伝搬方向、エネルギー分布、フルーエンス、拡散またはエミッタンスのようなパラメータを変化させて、医学または放射線医学用途に使用しうる整形された粒子パルス２８にすることができる変換装置２６も含んでいる。
【００２３】
図２は、レーザーパルス１４の時間的プロファイルを整形する装置１２が本発明に係る２つの可能な配置でレーザーシステム１０と共働することができる仕組みを説明するための図である。図２の上部において、発信器（オシレータ）３０、前置増幅器（プリアンプ）３２および主増幅器（メインアンプ）３４から構成されるレーザーシステム１０は、ペデスタル強度３８にかぶさったサブピコ秒レーザーパルス１４の形態のレーザー出力３６を有する。このペデスタル強度３８は、時間的強度プロファイルを整形する装置１２により除去または抑制することができる。この装置１２から出力される結果は、急激またはシャープに立ち上がるエッジを特色とし、本発明で使用可能なクリーンなサブピコ秒レーザーパルス１４である。図２の下部では、予備増幅されたシードパルス４０を発生するように発信器３０と前置増幅器３２とが共働する。かかる増幅は、パルスエネルギーをナノジュールからミリジュールレベルに増大させる。レーザーコントラストの劣化の主な寄与は予備増幅段階から始まる。時間的強度プロファイルを整形する装置１２は予備増幅されたシードパルス４０をサブピコ秒シドパルス４２に変換し、このシードパルス４２はその後に主増幅器３４により増幅されて、本発明で使用可能なサブピコ秒レーザーパルス１４になる。
【００２４】
図３には本発明に係る装置に使用するレーザーシステムの好適態様のスキームが示されている。このレーザーシステムはいわゆるダブルＣＰＡレーザーシステムである。モード結合型発信器３０は、アルゴンイオンレーザーによりポンピングされるチタン：サファイア結晶を備える。発信器３０の出力はフェムト秒パルス、具体的にはエネルギーが２ｎＪで繰返し周波数が約８８ＭＨｚの本質的に１５ｆｓ長のフェムト秒パルスからなる。発信器３０のパルスは、ストレッチャ４４において一対の光学回折格子（グレーティング）によりストレッチされ（パルスチャープ）、その後に音響光学変調器を用いて、発信器３０およびストレッチャ４４を出た高周波パルス列から周波数１０Ｈｚの個々のパルスを選択する。その後、本質的に４００ｐｓ長でエネルギーが約５００ｐＪのパルスが８パス（８回通過）の前置増幅器３２に入る。前置増幅器３２は、周波数が１０Ｈｚで、エネルギーが２００ｍＪ／パルスの周波数二倍化パルス化Ｎｄ：ＹＡＧレーザーによりポンピングされる。ストレッチャ４４と前置増幅器３２とは、偏光子間にポッケルスセルの配置を用いて光学的に隔離される。前置増幅器３２の出力は空間フィルター４６（無限焦点ｘ４）を通過し、２ｍＪ／パルスのエネルギーを伝える。今度は、１０Ｈｚのパルス列が部分的または完全に再圧縮され（コンプレッサ５２、パルス脱チャープ）、時間的強度プロファイル（予備増幅後の好ましいトポロジー）を整形する装置１２を通過する。上に既に述べたように、予備増幅段階の直後にレーザーコントラストを増大させることが有利である。かかる装置１２のより具体的ないくつかの態様は、添付の図４〜７も参照しながら、後で詳述する。
【００２５】
装置１２の次には第２のストレッチャ４４（パルスチャープ）と、主増幅器３４とが続く。主増幅器３４は、１０Ｈｚでエネルギーが１Ｊ／パルスの周波数二倍化パルス化Ｎｄ：ＹＡＧレーザーによりポンピングされる５パスの第１パワー増幅器４８から構成される。２００ｍＪのエネルギーに増幅されたパルスは空間フィルター４６、好ましくは真空空間フィルター（無限焦点ｘ４）を通過し、主増幅器３４の４パスの第２パワー増幅器５０に入る。第２パワー増幅器５０の結晶は温度１２０Ｋの低温チャンバーに収容されている。次のようにいくつかの周波数二倍化パルス化Ｎｄ：ＹＡＧレーザーがこの増幅段階をポンピングする：１.７Ｊの３個のレーザー、１.５Ｊの３個のレーザー、そして１.７Ｊの１個のレーザーを使用する。この配置は４００ｐｓ長で３.５Ｊのエネルギーを有するパルスの出力を生ずる。第２の増幅後に、空間フィルター４６、好ましくは真空空間フィルター（無限焦点ｘ１）を通過させる。パルスは最終的に一対の光学回折格子を用いて真空圧縮器５２で圧縮され（パルス脱チャープ）、２５ｆｓ長でエネルギーが２.５のパルスに到達する。
【００２６】
この時点で、カー（Kerr）レンズ・モードロック方式に基づいた発信器のフェムト秒パルスが９〜１０桁にまで達する大きさの非常に高いレーザーコントラストを持つ時間的強度プロファイルを示すことを指摘しておくことは価値がある。自然放出を増幅して、非常に高いレーザーコントラストを損なうか、または劣化させるのは、別のいくつかの増幅段階のレベルである。それにもかかわらず、高エネルギー粒子パルスを発生させるための装置に使用される上記装置では、レーザーパルスピーク強度に到達するために、ＣＰＡレーザーシステムを採用する必要がある。
【００２７】
さらに、発信器からのシードレーザーパルスを約１０μＪに直接増幅する時に、このシードパルスをさらなる増幅のためにストレッチ（チャープ）する前に、ナノ秒の時間スケールのペデスタル強度を生ずる増幅自然放出（ＡＳＥ）を、飽和吸収体を用いた非線形フィルターにより抑制することができる。
【００２８】
図４は、時間的強度プロファイルを整形する装置１２の有利な１態様として使用される非線形サニャック干渉計５４の原理的構成を説明する図面である。光はリング形状の干渉計５４を通って光路５６上を進んでいる。光はビームスプリッタ５８により案内されて干渉計５４に入り、２つのミラー６０により形成されたリングを通って光路５６を両方向に進む。その光路５６上で、光は一対のチャープミラー６２およびｎ２物質６４、すなわち、強度依存性の光学屈折率を有する物質、を通過する。この配置により、サニャック干渉計の強度依存性の応答または透過を意味する非線形の挙動を達成することができる。すなわち、ペデスタル強度３８に重なるサブピコ秒パルス１４からなる光は、強度依存性の反射および透過を受ける。ペデスタル強度３８の強度レベルの光はペデスタル強度３８の反射が起こるようにサニャック・リング干渉計内で干渉を受けるのに対し、干渉計５４の有効光路長に影響することができるサブピコ秒パルス１４の強度レベルの光は、サブピコ秒パルス１４の透過が起こるように干渉を受ける。
【００２９】
図５は、時間的強度プロファイルを整形する装置１２の別の有利な態様に使用される非線形偏光回転装置を表示する。サブピコ秒パルスとペデスタル強度とを含む入力時間的強度プロファイルは、第１位相板６６、集束（フォーカシング）レンズ６８、空間フィルター装置として作用するピンホール７２、脱集束（デフォーカシング）レンズ７４、および第２位相板６６を順に通過する。この態様は空気中における誘導非線形複屈折を利用する。すなわち、偏光子７４は、サブピコ秒パルス１４が第１方向に線形偏光を獲得したのに対し、ペデスタル強度３８は第１方向と垂直の第２方向に線形偏光を獲得したことを表している。
【００３０】
図６には、高速ポッケルスセルを用いたレーザーパルスの時間的プロファイルを整形する装置１２の配置が略図で示されている。光路５６を進む光は、ビームスプリッタ５８により２つの部分に分離される。第１部分はミラー６０で反射され、光スイッチ式ポッケルスセルであるポッケルスセル８０の高速スイッチとして作用する光伝導体８２に衝突する。第２部分は、その光路を並進方向７８内で変えることができる光遅延ライン７６を通って進む。光遅延ライン７６を出た光はポッケルスセル８０内に結合され、光の第１部分が光伝導体８２に衝突することにより高速スイッチが閉じている場合には、その偏光方向を回転させてポッケルスセル８０を横断し通過する。光スイッチ式ポッケルスセルの反応時間は５０ｐｓ程度であり、ジッターは２ｐｓより短い。このような配置は、部分的または完全に再圧縮された光パルスの時間的プロファイルを整形するのに有利に使用することができる。すなわち、光の第１部分がスイッチを閉じつつあり、光の第２部分がまさにポッケルスセル８０に到着している時の事象の慎重な時間の相関関係によって、ポッケルスセル８０より下流の偏光子８４を通る透過が、ペデスタル強度だけが存在する場合には遮断され、ある強度閾値を超えて、例えば、サブピコ秒パルスが到達すると、偏光子８４を通る透過が可能となるように、ポッケルスセル８０を動作させ、または動作解除することができる。
【００３１】
図７は、時間的プロファイルを整形する装置１２の別の態様としてプラズマミラー８６を用いた本発明に係る装置の態様に関する。プラズマミラー８６は、基本的には透明板から構成されるが、この透明板は、その表面に低光束で衝突すると普通の反射率（フレネル反射に似た）を示し、高光束ではブレークダウンを受けてプラズマになり、結果として増大した反射率を示す。この態様では、レーザーコントラストの増大は、フレネルからプラズマ領域への反射率の増大と本質的に同じ大きさだけ達成することができる。プラズマミラー８６上に集束される光が高密度であるほど、誘起プラズマの温度が高くなり、従って反射率が向上する。１つの時間的強度プロファイルを持つある衝突光パルスに対して複数のプラズマミラーを次々に使用すると、レーザーコントラストをさらに一層増大させることができる。プラズマミラー８６を使用するための実際的かつ有利な配置を図７に示す。光はミラー６０を経て光路５６上を進み、プラズマミラー８６に光を集束させるオフアクシスの放物面鏡９０に達する。プラズマミラー８６は、無反射層８８で被覆されている。プラズマミラー８６がブレークダウンのためにプラズマになると、光は反射されて、オフアクシスの放物面鏡９０により集束が解除され、第２のミラー６０によりさらに案内される。この配置は有利には真空チャンバー９２内に配置される。このような設備の典型的な寸法は、長さが５ｍ、幅が０.４ｍである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る装置の１態様のトポロジーの概要図である。
【図２】レーザーパルスの時間的プロファイルを整形する装置がレーザーシステムと一緒に動作することができる方式に関する２つの可能な配置を示す。
【図３】本発明に係る装置に使用されるチャープパルス増幅（ＣＰＡ）レーザー設備の好適態様のスキームを示す。
【図４】非線形サニャック干渉計の原理的構成を説明する図である。
【図５】本発明に係る装置の１態様に使用される非線形偏光回転装置を示す。
【図６】高速ポッケルスセルを用いたレーザーパルスの時間的プロファイルを整形する装置の配置を示す。
【図７】時間的プロファイルを整形する装置としてプラズマミラーを用いた本発明に係る装置の１態様に関する。
【符号の説明】
【００３３】
１０：レーザーシステム、１２：時間的強度プロファイルを整形する装置、１４：サブピコ秒レーザーパルス、１６：ターゲット、１８：表面層、２０：粒子パルス、２２：送り出し光学系、２４：放物面鏡、２６：変換装置、２８：整形された粒子パルス、３０：発信器、３２：前置増幅器、３４：主増幅器、３６：レーザー出力、３８：ペデスタル強度、４０：予備増幅されたシードパルス、４２：サブピコ秒シードパルス、４４：ストレッチャ、４６：空間フィルター、４８：第１パワー増幅器、５０：第２パワー増幅器、５２：圧縮器、５４：非線形サニャック干渉計、５６：光路、５８：ビームスプリッタ、６０：ミラー、６２：一対のチャープ・ミラー、６４：ｎ２物質、６６：位相板、６８：集束レンズ、７０：集束解除レンズ、７２：ピンホール、７４：偏光子、７６：光遅延ライン、７８：並進方向、８０：ポッケルスセル、８２：光伝導体、８４：偏光子、８６：プラズマミラー、８８：無反射層、９０：オフアクシス放物面鏡、９２：真空チャンバー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
−パルス幅が１００ｆｓより短く、かつ１０18Ｗ／ｃｍ2より大きなピーク強度に集束されることができるレーザーパルス（１４）を発生するレーザーシステム（１０）、
−該レーザーパルス（１４）の少なくとも１パルスを照射されると高エネルギー粒子パルス（２０）を放出することができるターゲット（１６）、
を備える高エネルギー粒子パルス（２０）の発生装置であって、
−該少なくとも１パルスのレーザーパルス（１４）に付随する時間的強度プロファイルを、レーザーコントラストを１０5以上に高めるように整形する装置（１２）を備えることを特徴とする上記発生装置。
【請求項２】
時間的強度プロファイルを整形する装置（１２）が該パルスの少なくとも１つの翼（ウイング）の強度を低減させることができることを特徴とする、請求項１に記載の高エネルギー粒子パルス（２０）の発生装置。
【請求項３】
時間的強度プロファイルを整形する装置（１２）が強度依存性の透過を示すことを特徴とする、請求項１に記載の高エネルギー粒子パルス（２０）の発生装置。
【請求項４】
時間的強度プロファイルを整形する装置（１２）が、プラズマミラー（８６）、非線形サニャック干渉計（５４）、非線形偏光回転装置、飽和吸収フィルター、または高速ポッケルスセル（８０）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の高エネルギー粒子パルス（２０）の発生装置。
【請求項５】
レーザーシステム（１０）が、０.６Ｊより大きい出力エネルギー、２０ＴＷより大きい出力パワー、および５Ｈｚより大きい繰返し周波数で４０ｆｓより短いレーザーパルスを発することができる、自己モードロックのＴｉ：サファイアレーザーのチャープパルス増幅設備であることを特徴とする、請求項１に記載の高エネルギー粒子パルス（２０）の発生装置。
【請求項６】
ターゲット（１６）が、ガスジェット、または薄膜水カーテン、または液滴ジェット、または固体金属ドーテッドプラスチックポリマーであることを特徴とする、請求項１に記載の高エネルギー粒子パルス（２０）の発生装置。
【請求項７】
ターゲット（１６）が１ＭｅＶ以上のエネルギーの電子を放出することができることを特徴とする、請求項１に記載の高エネルギー粒子パルス（２０）の発生装置。
【請求項８】
レーザーコントラストが１０6より大きく、ターゲット（１６）が１ＭｅＶ以上のエネルギーの陽子を放出することができることを特徴とする、請求項１に記載の高エネルギー粒子パルス（２０）の発生装置。
【請求項９】
前記高エネルギー粒子パルスを整形するための変換装置（２６）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の高エネルギー粒子パルス（２０）の発生装置。
【請求項１０】
−パルス幅が１００ｆｓより短く、かつ１０18Ｗ／ｃｍ2より大きなピーク強度に集束されることができるレーザーパルス（１４）を発生させ、
−該レーザーパルス（１４）の少なくとも１パルスを照射されると高エネルギー粒子パルス（２０）を放出することができるターゲット（１６）に照射する、
ことを含む高エネルギー粒子パルス（２０）の発生方法であって、
−該レーザーパルス（１４）の少なくとも１パルスに付随する時間的強度プロファイルを、該ターゲット（１６）の照射の前に整形して、レーザーコントラストを１０5以上に高めることを特徴とする上記方法。
【請求項１】
−パルス幅が１００ｆｓより短く、かつ１０18Ｗ／ｃｍ2より大きなピーク強度に集束されることができるレーザーパルス（１４）を発生するレーザーシステム（１０）、
−該レーザーパルス（１４）の少なくとも１パルスを照射されると高エネルギー粒子パルス（２０）を放出することができるターゲット（１６）、
を備える高エネルギー粒子パルス（２０）の発生装置であって、
−該少なくとも１パルスのレーザーパルス（１４）に付随する時間的強度プロファイルを、レーザーコントラストを１０5以上に高めるように整形する装置（１２）を備えることを特徴とする上記発生装置。
【請求項２】
時間的強度プロファイルを整形する装置（１２）が該パルスの少なくとも１つの翼（ウイング）の強度を低減させることができることを特徴とする、請求項１に記載の高エネルギー粒子パルス（２０）の発生装置。
【請求項３】
時間的強度プロファイルを整形する装置（１２）が強度依存性の透過を示すことを特徴とする、請求項１に記載の高エネルギー粒子パルス（２０）の発生装置。
【請求項４】
時間的強度プロファイルを整形する装置（１２）が、プラズマミラー（８６）、非線形サニャック干渉計（５４）、非線形偏光回転装置、飽和吸収フィルター、または高速ポッケルスセル（８０）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の高エネルギー粒子パルス（２０）の発生装置。
【請求項５】
レーザーシステム（１０）が、０.６Ｊより大きい出力エネルギー、２０ＴＷより大きい出力パワー、および５Ｈｚより大きい繰返し周波数で４０ｆｓより短いレーザーパルスを発することができる、自己モードロックのＴｉ：サファイアレーザーのチャープパルス増幅設備であることを特徴とする、請求項１に記載の高エネルギー粒子パルス（２０）の発生装置。
【請求項６】
ターゲット（１６）が、ガスジェット、または薄膜水カーテン、または液滴ジェット、または固体金属ドーテッドプラスチックポリマーであることを特徴とする、請求項１に記載の高エネルギー粒子パルス（２０）の発生装置。
【請求項７】
ターゲット（１６）が１ＭｅＶ以上のエネルギーの電子を放出することができることを特徴とする、請求項１に記載の高エネルギー粒子パルス（２０）の発生装置。
【請求項８】
レーザーコントラストが１０6より大きく、ターゲット（１６）が１ＭｅＶ以上のエネルギーの陽子を放出することができることを特徴とする、請求項１に記載の高エネルギー粒子パルス（２０）の発生装置。
【請求項９】
前記高エネルギー粒子パルスを整形するための変換装置（２６）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の高エネルギー粒子パルス（２０）の発生装置。
【請求項１０】
−パルス幅が１００ｆｓより短く、かつ１０18Ｗ／ｃｍ2より大きなピーク強度に集束されることができるレーザーパルス（１４）を発生させ、
−該レーザーパルス（１４）の少なくとも１パルスを照射されると高エネルギー粒子パルス（２０）を放出することができるターゲット（１６）に照射する、
ことを含む高エネルギー粒子パルス（２０）の発生方法であって、
−該レーザーパルス（１４）の少なくとも１パルスに付随する時間的強度プロファイルを、該ターゲット（１６）の照射の前に整形して、レーザーコントラストを１０5以上に高めることを特徴とする上記方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公表番号】特表２００８−５０７０８４（Ｐ２００８−５０７０８４Ａ）
【公表日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５２０９２２（Ｐ２００７−５２０９２２）
【出願日】平成１７年７月１３日（２００５．７．１３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００５／００２６２０
【国際公開番号】ＷＯ２００６／００８６５５
【国際公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【出願人】（５０５１７９９７１）サントル・ナシオナル・ドゥ・ラ・ルシェルシュ・シアンティフィーク（セーエヌエールエス） (18)
【氏名又は名称原語表記】ＣＥＮＴＲＥ ＮＡＴＩＯＮＡＬ ＤＥ ＬＡ ＲＥＣＨＥＲＣＨＥ ＳＣＩＥＮＴＩＦＩＱＵＥ（ＣＮＲＳ）
【出願人】（５０７０１２６０７）エコール・ナシオナル・スペリウール・ドゥ・テクニーク・アバンセ (1)
【氏名又は名称原語表記】ＥＣＯＬＥ ＮＡＴＩＯＮＡＬ ＳＵＰＥＲＩＥＵＲＥ ＤＥ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥＳ ＡＶＡＮＣＥＥＳ
【出願人】（５０３３７８０２８）エコール・ポリテクニク（イーピー） (12)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月１３日（２００５．７．１３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００５／００２６２０
【国際公開番号】ＷＯ２００６／００８６５５
【国際公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【出願人】（５０５１７９９７１）サントル・ナシオナル・ドゥ・ラ・ルシェルシュ・シアンティフィーク（セーエヌエールエス） (18)
【氏名又は名称原語表記】ＣＥＮＴＲＥ ＮＡＴＩＯＮＡＬ ＤＥ ＬＡ ＲＥＣＨＥＲＣＨＥ ＳＣＩＥＮＴＩＦＩＱＵＥ（ＣＮＲＳ）
【出願人】（５０７０１２６０７）エコール・ナシオナル・スペリウール・ドゥ・テクニーク・アバンセ (1)
【氏名又は名称原語表記】ＥＣＯＬＥ ＮＡＴＩＯＮＡＬ ＳＵＰＥＲＩＥＵＲＥ ＤＥ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥＳ ＡＶＡＮＣＥＥＳ
【出願人】（５０３３７８０２８）エコール・ポリテクニク（イーピー） (12)
【Ｆターム（参考）】
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