DE69721888T2

DE69721888T2 - Laservorrichtung mit sehr kurzen optischen Pulsen

Info

Publication number: DE69721888T2
Application number: DE69721888T
Authority: DE
Inventors: Shinichiro Hamamatsu-shi Aoshima; Haruyasu Hamamatsu-shi Ito; Yutaka Hamamatsu-shi Tsuchiya
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1996-03-25
Filing date: 1997-03-25
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2017-03-26
Also published as: US5815519A; EP0798825B1; EP0798825A3; JPH09260762A; EP0798825A2; DE69721888D1; JP3734560B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laservorrichtung für ultrakurze Impulse zum Erzeugen optischer Impulse mit einer Impulsbreite von 1 ps oder weniger.
Stand der Technik
Für die schnelle optische Datenübertragung und Anwendungen schneller nichtlinearer optischer Phänomene hat sich ein starker Bedarf an Licht mit kurzen Impulsen ergeben. Um diesen Bedarf zu decken, wurden verschiedene Techniken zum Erzeugen eines ultrakurzen Impulses mit 1 ps oder weniger vorgeschlagen.
Beispielsweise ist eine Technik zum Erzeugen eines optischen Impulses mit einer Impulsbreite von 100 bis 500 fs auf der Grundlage einer passiven Modensynchronisation unter Verwendung eines Farbstoffmediums als Lasermedium sowie eines sättigbaren Farbstoffs in einer Entgegenhaltung von M. D. Dawson u. a., OPTICS LETTERS, Band 11, Nr. 11, Nov. 1986, S. 721–723 beschrieben. Diese Technik wird nachstehend als bekannte Technik 1 bezeichnet.
Eine andere Technik zum Erzeugen eines optischen Impulses mit einer Impulsbreite von 44 fs auf der Grundlage einer Selbstmodensynchronisation unter Verwendung eines Festkörpermediums als ein Lasermedium und des nichtlinearen optischen Effekts des Festkörper-Lasermediums selbst ist in einer Entgegenhaltung von Aoshima u. a., The Review of Laser Engineering, Band 23, Nr. 11 (1995), S. 90–95 beschrieben. Diese Technik wird nachstehend als bekannte Technik 2 bezeichnet.
Es ist weiterhin bekannt, Prismen mit den Resonanzspiegeln zu einer Einheit zu kombinieren, um eine Dispersionskompensation bereitzustellen, während innerhalb der Vorrichtung Platz gespart wird, wie in WO 95/31023 dargestellt ist.
Eine Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß jeder dieser Techniken weist einen Laserresonator auf, in dem ein Lasermedium, eine Impulserzeugungseinheit und eine Phasendispersions-Kompensationseinheit zwischen zwei Resonanzspiegeln angeordnet sind. Das Lasermedium wird durch Energie von einer Anregungsquelle angeregt und führt eine Laseroperation aus. Bei den bekannten Techniken 1 und 2 wird die Anregungsenergie dem Lasermedium in Form von Licht zugeführt. Insbesondere wird bei der bekannten Technik 2 ein Halbleiterlaser als Anregungsquelle verwendet.
Bei der herkömmlichen Laservorrichtung dient ein Resonanzspiegel auch als eine Lichtentnahmeeinheit. In der folgenden Beschreibung wird der Resonanzspiegel, der auch als eine Lichtentnahmeeinheit dient, als ein Ausgangsspiegel bezeichnet. Ein anderer Resonanzspiegel mit einer höheren Reflektivität als der Ausgangsspiegel wird einfach als ein Resonanzspiegel bezeichnet.
Für die Impulserzeugung durch die Laservorrichtung für ultrakurze Impulse wird vorzugsweise eine Modensynchronisation verwendet. Ein Beispiel der Modensynchronisation ist in "Simple method to Start and maintain self-mode locking of a Ti:sapphire laser" von Y. M. Liu u. a., 2412, Optics Letters 17 (1992), 1. September, Nr. 17 angegeben. Modensynchronisationsverfahren lassen sich grob einteilen in

(i) eine aktive Modensynchronisation durch eine Modensynchronisationseinheit unter Verwendung einer AO-Vorrichtung (akustooptischen Vorrichtung),
(ii) eine passive Modensynchronisation unter Verwendung eines sättigbaren Absorbers in der Art eines Farbstoffs, der in der bekannten Technik 1 verwendet wird, und eines Halbleiters mit einer MQW-Struktur (Mehrfachquantenmulden-Struktur) und
(iii) eine Selbstmodensynchronisation unter Verwendung eines nichtlinearen optischen Effekts eines Lasermediums selbst wie in der bekannten Technik 2.

Eine Impulserzeugungseinheit zum Ausführen eines Modensynchronisationsverfahrens, die von den vorstehenden Verfahren verwendet wird, ist im Laserresonator angeordnet. Wenn die Selbstmodensynchronisation auszuführen ist, dient das Lasermedium üblicherweise als die Impulserzeugungseinheit.
Zum Erzeugen ultrakurzer Impulse entlang der Zeitachse wird das Frequenzband entlang der Frequenzachse (oder Wellenlängenachse) unvermeidlich breit. Daher ist das Produkt aus der vollen Halbwärtsbreite (FWHM) Δν der Bandbreite entlang der Frequenzachse (oder der Wellenlängenachse) und der FWHM Δτ der Impulsbreite entlang der Zeitachse nicht kleiner oder gleich einem vorbestimmten Wert. Insbesondere gilt die folgende Beziehung (1): Δν·Δτ ≥ k (1)wobei Δν: FWHM entlang der Frequenzachse (oder Wellenlängenachse)
Δτ: FWHM entlang der Zeitachse
k: von der Wellenform abhängige Konstante
Unter der Annahme, daß die Phasen zwischen den Wellenlängen ideal übereinstimmen, gilt: Δν·Δτ = k
Wenn die Wellenform des optischen Impulses beispielsweise sech² ist, gilt k = 0, 315.
Das Lasermedium, die Impulserzeugungseinheit, der Resonanzspiegel und der Ausgangsspiegel, die für die Impulslaservorrichtung wesentlich sind, sind im allgemeinen dispersive Medien. Wegen dieser dispersiven Medien erfolgt eine Laseroszillation innerhalb eines begrenzten Wellen längenbands, und selbst bei einer Laseroszillation innerhalb einer großen Bandbreite kann kaum ein optischer Impuls mit einer gewünschten Impulsbreite erhalten werden.
Zum Lösen dieser Probleme wird normalerweise eine Phasendispersions-Kompensationseinheit im Laserresonator angeordnet. Ein Prismenpaar oder ein Beugungsgitterpaar werden vorzugsweise als die Phasendispersions-Kompensationseinheit verwendet. Auch bei der bekannten Technik 1 oder 2 ist ein Prismenpaar als Phasendispersions-Kompensationseinheit im Resonator angeordnet.
Zum Stabilisieren der Modensynchronisation in der Laservorrichtung für ultrakurze Impulse muß das Lasermedium fast in der Mitte des Laserresonators angeordnet werden, wie bekannt ist. Dieses Ergebnis ist beispielsweise in einer Entgegenhaltung von G. Cerullo u. a., OPTICS LETTERS, Band 19, Nr. 14, 15. Juli 1994 auf den Seiten 1040–1042 beschrieben.
Die typische herkömmliche Laservorrichtung für ultrakurze Impulse umfaßt (a) ein Lasermedium, das aus einem Cr: LiSAF-Kristall besteht, (b) einen ersten konkaven Spiegel, der auf einer Lichteingangs-/Ausgangsflächenseite des Lasermediums angeordnet ist, und einen zweiten konkaven Spiegel, der auf der anderen Lichteingangs-/Ausgangsflächenseite des Lasermediums angeordnet ist und von dem vorstehenden ersten konkaven Spiegel um etwa 10 cm auf dem optischen Weg getrennt ist, und (c) eine Phasendispersions-Kompensationseinheit mit zwei Prismen, die aus BK7 bestehen und voneinander um einen Abstand von 46 cm getrennt sind.
Diese Vorrichtung umfaßt auch (d) einen Schlitz, von dem eine Lichtkomponente im Laserresonator selektiv durchgelassen wird, (e) einen Resonanzspiegel, der eine Endfläche des Laserresonators bildet, und einen Ausgangsspiegel, der von dem Resonanzspiegel um 170 cm auf dem optischen Weg getrennt ist und die andere Endfläche des Laserresonators bildet, (f) eine Schwingvorrichtung, um den Ausgangsspiegel in Schwingung zu versetzen, und (g) eine Anregungsquelle zum Zuführen von Anregungsenergie zum Lasermedium.
Bei dieser Vorrichtung wird Anregungsenergie von der Anregungsquelle dem Lasermedium zugeführt, um eine Laseroszillation zu bewirken. Der Ausgangsspiegel wird von der Schwingvorrichtung in Schwingung versetzt, um eine Intensitätsschwankung zu erzeugen, die einen Modensynchronisationszustand einleitet, wodurch ultrakurze Impulse erhalten werden.
Wenn bei einem Experiment des Erfinders diese herkömmliche Laservorrichtung für ultrakurze Impulse verwendet wurde und eine optimale Einstellung vorgenommen wurde, wurden ein optischer Impuls mit einer Spitzenwellenlänge von etwa 908 nm und einer Impulsbreite von 30 fs erhalten. Dieses Experiment ergibt Δν·Δτ = 0,32was fast einem idealen Wert gleicht, wobei angenommen wird, daß die Zeitwellenform sech² ist, also Δν·Δτ = 0,315
Wenn bei der herkömmlichen Laservorrichtung für ultrakurze Impulse jedoch der Abstand zwischen einem Prisma der Phasendispersions-Kompensationseinheit und einem konkaven Spiegel beispielsweise auf fast 0 cm verringert wird, um die Resonatorlänge L zu verringern, wird die Resonatorlänge L auf ein Minimum von 102 cm verringert. In diesem Fall wird die Wiederholungsfrequenz f von Laserimpulsen zu etwa 147 MHz.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Für durch die Laservorrichtung für ultrakurze Impulse erzeugte optische Impulse muß das Zeitintervall zwischen Impulsen kurz sein, so daß zusätzlich zum Bedarf an einer geringen Impulsbreite ein Bedarf an einer höheren Wiederholungsfrequenz der optischen Impulse besteht. Weiterhin ist ein Bedarf an einer Verringerung der Größe der Vorrichtung selbst und einer veränderlichen Steuerung des Wiederholungsintervalls von Impulsen aufgetreten.
Das Wiederholungszeitintervall von Laserimpulsen, also das Zeitintervall für den Lichtumlauf durch den Laserresonator, ist durch die Resonatorlänge L bestimmt. Wenn der Laserresonator vom Fabry-Perot-Typ ist, entspricht das Wiederholungszeitintervall der Laserimpulse der Zeit, in der Licht im Laserresonator hin- und herläuft. Aus diesem Grunde wird die Wiederholungsfrequenz f der Laserimpulse durch Gleichung (2) dargestellt: f = c/2L (2)
Zum Erhöhen der Wiederholungsfrequenz von Laserimpulsen ist es wirksam, die Resonatorlänge L zu verringern. Wenn die Resonatorlänge L verringert wird, kann die Vorrichtung selbst kompakt gemacht werden.
Die herkömmliche Laservorrichtung für ultrakurze Impulse erfüllt den Bedarf an kurzen Impulsen fast bis zur theoretischen Grenze. Der Bedarf an einer höheren Wiederholungsfrequenz optischer Impulse und der Bedarf an einer Größenverringerung der Vorrichtung selbst werden jedoch noch nicht notwendigerweise befriedigt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Laservorrichtung für ultrakurze Impulse bereitzustellen, welche in der Lage ist, die Wiederholungsfrequenz von Laserimpulsen zu erhöhen und auch eine Größenverringerung der Vorrichtung zu erreichen.
Zum Lösen der vorstehenden Aufgabe ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine Laservorrichtung für ultrakurze Impulse nach Anspruch 1 vorgesehen.
Bei der Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Lasermedium zwischen den zwei optischen Elementen unter Einschluß eines Prismenpaars der Phasendispersions-Kompensationseinheit angeordnet. Bei dieser Anordnung kann die Resonatorlänge L des optischen Resonanzwegs selbst dann verringert werden, wenn das Lasermedium fast in der Mitte des Laserresonators angeordnet ist, um die Modensynchronisation zu stabilisieren.
Genauer gesagt muß zum wirksamen Ausführen der Phasenkompensation des Lichts im optischen Resonanzweg durch die aus den zwei optischen Elementen in der Art eines Prismenpaars gebildete Phasendispersions-Kompensationseinheit der optische Abstand L' zwischen diesen zwei optischen Elementen gewährleistet werden. Bei der herkömmlichen Laservorrichtung für ultrakurze Impulse muß die Beziehung (3) auf der Grundlage der Forderung, daß das Lasermedium fast in der Mitte des Laserresonators angeordnet wird, erfüllt sein: L ≥ 2L' (3)
Bei der Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Lasermedium jedoch im optischen Weg zwischen den zwei optischen Elementen der Phasendispersions-Kompensationseinheit angeordnet. Daher braucht im Prinzip nur die Beziehung (4) erfüllt werden: L > L' (4)
Bei dieser Anordnung kann die Resonatorlänge des optischen Resonanzwegs auf fast die Hälfte der herkömmlichen Länge verringert werden, während die Funktionsweise der herkömmlichen Laservorrichtung für ultrakurze Impulse aufrechterhalten wird. Dadurch kann die Wiederholungsfrequenz von Laserimpulsen auf der Grundlage der vorstehend erwähnten Gleichung (2) erhöht werden, und es kann gleichzeitig eine Größenverringerung der Laservorrichtung selbst erreicht werden.
Bei der Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen die mehreren Resonanzspiegel einen Auskoppelspiegel zum Heraus führen des Laserstrahls aus dem Laserresonator und einen hochreflektierenden Spiegel mit einer größeren Reflektivität bezüglich des Lichts in dem optischen Resonanzweg als derjenigen des Auskoppelspiegels. Gemäß dieser Ausführungsform dient einer der mehreren Resonanzspiegel als eine Lichtherausführungseinheit zum Herausführen des Laserstrahls aus dem Laserresonator.
Bei der Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt die Phasendispersions-Kompensationseinheit für die genannten zwei optischen Elemente ein Paar Prismen oder ein Paar Beugungsgitter, die zur Trennung des Lichts in dem optischen Resonanzweg in mehrere sich parallel ausbreitende Wellenlängenkomponenten angeordnet sind. Gemäß dieser Ausführungsform kann die Phasendispersions-Kompensationseinheit die Phasen in Wellenlängeneinheiten des Lichts im optischen Resonanzweg durch Einstellen des Abstands zwischen dem Prismenpaar oder dem Beugungsgitterpaar anpassen.
Bei der Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt der Laserresonator weiterhin eine Spiegelbewegungseinheit zum Bewegen mindestens eines der Resonanzspiegel entlang dem optischen Resonanzweg, um die Resonatorlänge des optischen Resonanzwegs zu ändern. Gemäß dieser Ausführungsform besteht die Spiegelbewegungseinheit aus einer Fördereinheit, die an dem beweglichen Resonanzspiegel angebracht ist und die Resonatorlänge des optischen Resonanzwegs entsprechend der Position des Resonanzspiegels ändert. Daher kann die Wiederholungsperiode von Laserimpulsen auf der Grundlage der vorstehenden Gleichung (2) variabel eingestellt werden.
Bei der Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt der Laserresonator außerdem einen Wellenlängenauswahlmechanismus, um für den Laserstrahl eine vorbestimmte Wellenlängenkomponente aus dem Licht des optischen Resonanzwegs zu gewinnen. Weil der Wellenlängenauswahlmechanismus gemäß dieser Ausführungsform beliebig nur die gewünschte Wellenlängenkomponente von mehreren Wellenlängenkomponenten mit unterschiedlichen durch die Phasendispersions-Kompensationseinheit festgelegten optischen Wegen auswählt, kann die Erzeugungswellenlänge der Laserimpulse variabel festgelegt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt der Wellenlängenauswahlmechanismus eine Spiegeldreheinheit zum Ändern eines Winkels einer Reflexionsfläche mindestens eines der Reflexionsspiegel in Bezug auf den optischen Resonanzweg. Weil die Spiegeldreheinheit gemäß dieser Ausführungsform nur die gewünschte Wellenlängenkomponente von den mehreren Wellenlängenkomponenten mit verschiedenen von der Phasendispersions-Kompensationseinheit auf dem optischen Resonanzweg festgelegten optischen Wegen zurückgibt, kann die Erzeugungswellenlänge der Laserimpulse variabel festgelegt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt der Wellenlängenauswahlmechanismus einen auf dem optischen Resonanzweg angeordneten Schlitz und eine Schlitzbewegungseinheit zum Bewegen des Schlitzes senkrecht zum optischen Resonanzweg. Weil die Schlitzbewegungseinheit gemäß dieser Ausführungsform bewirkt, daß der Schlitz nur die gewünschte Wellenlängenkomponente von den mehreren Wellenlängenkomponenten mit verschiedenen von der Phasendispersions-Kompensationseinheit festgelegten optischen Wegen durchläßt, kann die Erzeugungswellenlänge der Laserimpulse variabel festgelegt werden.
Bei der Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Lasermedium einen nichtlinearen optischen Effekt auf und erzeugt aus dem Licht in dem optischen Resonanzweg aufgrund der Selbstmodensynchronisation kurze Impulse. Gemäß dieser Ausführungsform dient das Lasermedium als eine Impulserzeugungseinheit zum Erzeugen kurzer Impulse von dem Licht im optischen Resonanzweg.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Lasermedium ein festes Medium, das als nichtlinearen optischen Effekt einen Kerr-Linseneffekt aufweist und die kurzen Impulse aus dem optischen Resonanzweg aufgrund einer Kerr-Linsenmodensynchronisation als Selbstmodensynchronisation erzeugt. Gemäß dieser Ausführungsform ist das Lasermedium ein festes Medium, wie ein Cr: LiSAF-(Cr³⁺: LiSrAlF₆)-Kristall.
Bei der Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Laserresonator weiterhin eine Impulserzeugungseinheit zum Erzeugen kurzer Impulse von dem Licht im optischen Resonanzweg auf. Gemäß dieser Ausführungsform kann die Impulserzeugungseinheit die kurzen Impulse von dem Licht im optischen Resonanzweg unabhängig von der Selbstmodensynchronisation des Lasermediums selbst erzeugen, oder sie kann alternativ die kurzen Impulse von dem Licht im optischen Resonanzweg auf der Grundlage der Selbstmodensynchronisation des Lasermediums selbst erzeugen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Impulserzeugungseinheit in einem optischen Weg zwischen den zwei optischen Elementen in der Phasendispersions-Kompensationseinheit angeordnet. Gemäß dieser Ausführungsform belegt die Impulserzeugungseinheit keinen unabhängigen Platz auf einem optischen Resonanzweg, der von dem optischen Weg zwischen den zwei optischen Elementen der Phasendispersions-Kompensationseinheit verschieden ist. Daher kann die Größe der Laservorrichtung weiter verringert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Impulserzeugungseinheit einen sättigbaren Absorber mit einem nichtlinearen optischen Effekt auf, der auf dem optischen Resonanzweg angeordnet ist, um die kurzen Impulse von dem Licht im optischen Resonanzweg auf der Grundlage einer passiven Modensynchronisation zu erzeugen. Gemäß dieser Ausführungsform ist der sättigbare Absorber DQOCI (1,3'-Diethyl-4,2'-quinolyoxacarbocyaniniodid) oder DODCI (3,3'-Diethyloxadicarbocyaniniodid), und das Lasermedium ist ein Farbstoffmedium, wie Rhodamine 6G.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt die Impulserzeugungseinheit eine Spiegelschwingeinheit, um eine Reflexionsfläche von mindestens einem der mehreren Resonanzspiegel in Bezug auf den optischen Weg in Schwingung zu versetzen und die kurzen Impulse von dem Licht im optischen Resonanzweg auf der Grundlage der aktiven Modensynchronisation zu erzeugen. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Spiegelschwingeinheit ein an dem Resonanzspiegel angebrachter Lautsprecher.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt die Impulserzeugungseinheit weiterhin eine Überwachungseinheit, die die Modensynchronisation des Lasers überwacht, um der Spiegelschwingeinheit vorzuschreiben, die Schwingung der Reflexionsfläche zu unterbrechen, wenn die Modensynchronisation des Lasers eingeleitet wurde, und der Spiegelschwingeinheit vorzuschreiben, die Schwingung der Reflexionsfläche einzuleiten, wenn die Modensynchronisation des Lasers aufgehoben wurde.
Gemäß dieser Ausführungsform überwacht die Überwachungseinheit den Modensynchronisationszustand des Lasers, nachdem die Schwingung des Resonanzspiegels durch die Spiegelschwingeinheit eingeleitet wurde, wobei die Schwingung des Resonanzspiegels unterbrochen wird, wenn die Modensynchronisation des Lasers eingeleitet wurde, und die Schwingung des Resonanzspiegels wieder eingeleitet wird, wenn die Modensynchronisation des Lasers aufgehoben wurde. Daher wird der Modensynchronisationszustand des Lichts stabil gehalten.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt die Impulserzeugungseinheit einen mit dem Lasermedium integrierten optischen Modulator zum Modulieren des Lichts im optischen Resonanzweg und zum Erzeugen der kurzen Impulse von dem Licht im optischen Resonanzweg auf der Grundlage der aktiven Modensynchronisation sowie einen variablen Modulationssignalgenerator zum variablen Einstellen eines Modulationssignals, das dem optischen Modulator zugeführt werden sollte, um eine Mode des Lichts im optischen Resonanzweg auszuwählen. Gemäß dieser Ausführungsform ist der optische Modulator mit dem Lasermedium integriert und belegt keinen unabhängigen Platz auf dem optischen Resonanzweg der Impulserzeugungseinheit. Daher kann die Größe der Laservorrichtung weiter verringert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt die Impulserzeugungseinheit weiterhin eine Überwachungseinheit, die einen Modensynchronisationszustand des Lasers überwacht, um dem variablen Modulationssignalgenerator vorzuschreiben, die optische Modulation zu unterbrechen, wenn die Modensynchronisation des Lasers eingeleitet wurde, und dem variablen Modulationssignalgenerator vorzuschreiben, die optische Modulation einzuleiten, wenn die Modensynchronisation des Lasers aufgehoben wurde.
Gemäß dieser Ausführungsform überwacht die Überwachungseinheit den Modensynchronisationszustand des Lasers nach dem Einleiten der optischen Modulation durch den optischen Modulator, wodurch die optische Modulation unterbrochen wird, wenn die Modensynchronisation des Lasers eingeleitet wird, und die optische Modulation wieder eingeleitet wird, wenn die Modensynchronisation des Lasers aufgehoben wird. Daher wird der Modensynchronisationszustand des Lichts stabil gehalten.
Bei der Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Lasermedium vorzugsweise ein festes Medium und ist die Anregungsquelle ein Halbleiterlaser. Weil die Laservorrichtung gemäß dieser Ausführungsform vollständig aus festen Materialien besteht, kann die Vorrichtung selbst leicht gehandhabt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Halbleiterlaser eine MOPA-(Hauptoszillator-Leistungsverstärker)-Struktur auf. Gemäß dieser Ausführungsform kann der MOPA-Halbleiterlaser, anders als ein allgemeiner Halbleiterlaser mit einem starken Astigmatismus, Anregungslicht in einen kleineren Fleck im festen Lasermedium konzentrieren. Daher kann die Modensynchronisation des Lasers stabil gehalten werden.
Bei der Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Laserresonator weiterhin einen Temperatureinstellmechanismus zum Halten der Temperatur des Lasermediums im wesentlichen bei einem vorbestimmten Wert auf. Gemäß dieser Ausführungsform wird die Laseroszillation ausgeführt, während der Temperatureinstellmechanismus die Temperatur des Lasermediums bei einer für das Lasermedium geeigneten Betriebstemperatur (im allgemeinen bei einer niedrigen Temperatur) hält. Daher kann die Intensität der Laserimpulse stabil gehalten werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt der Temperatureinstellmechanismus eine Kühleinheit, die in Kontakt mit dem Lasermedium angeordnet ist, um Wärme vom Lasermedium zu absorbieren, und ein Wärmeabfuhrelement, das in Kontakt mit der Kühleinheit angeordnet ist, um die Wärme von der Kühleinheit aus dem Laserresonator abzuführen. Gemäß dieser Ausführungsform besteht die Kühleinheit aus einer Peltier-Vorrichtung.
Bei der Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Laserresonator als die mehreren Resonanzspiegel zwei Resonanzspiegel auf, die zur Bildung des optischen Resonanzwegs als ein optischer Fabry-Perot-Weg angeordnet sind. Gemäß dieser Ausführungsform muß zum Stabilhalten der Modensynchronisation des Lasers die Position des Lasermediums fast in die Mitte des Laserresonators gelegt werden.
Bei der Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Laserresonator als die mehreren Resonanzspiegel mindestens drei Resonanzspiegel auf, die zur Bildung des optischen Resonanzwegs als ein ringförmiger optischer Weg angeordnet sind. Gemäß dieser Ausführungsform kann die Position des Lasermediums zum geeigneten Erzeugen von Laserimpulsen im optischen Resonanzweg beliebig festgelegt werden.
Die vorliegende Erfindung läßt sich anhand der nachstehenden detaillierten Beschreibung und der anliegenden Zeichnung, die nur der Erläuterung dienen und die vorliegende Erfindung demgemäß nicht einschränken sollen, vollständiger verstehen.
Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachstehenden detaillierten Beschreibung offensichtlich werden. Es ist jedoch zu verstehen, daß die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, wenngleich sie bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung angeben, nur der Erläuterung dienen, weil verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung Fachleuten anhand dieser detaillierten Beschreibung verständlich werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist ein Diagramm eines optischen Wegs, in dem die Anordnung einer Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
2 ist ein Diagramm eines optischen Wegs, in dem die Funktion der Phasendispersions-Kompensationseinheit der in 1 dargestellten Laservorrichtung für ultrakurze Impulse dargestellt ist,
3 ist ein Diagramm eines optischen Wegs, in dem die Anordnung einer Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
4 ist ein Diagramm eines optischen Wegs, in dem die Anordnung einer Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
5 ist ein Diagramm eines optischen Wegs, in dem die Anordnung einer Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
6 ist ein Diagramm eines optischen Wegs, in dem die Anordnung einer Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
7 ist ein Diagramm eines optischen Wegs, in dem die Anordnung einer Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
8 ist ein Diagramm eines optischen Wegs, in dem die Anordnung einer Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
9A ist ein Diagramm eines optischen Wegs, in dem die Anordnung eines MOPAs mit getrennten Vorrichtungen dargestellt ist, der als die Anregungsquelle der in 8 dargestellten Laservorrichtung für ultrakurze Impulse dient,
9B ist eine perspektivische Darstellung, in der die Anordnung eines MOPAs mit integrierten Vorrichtungen dargestellt ist, der als die Anregungsquelle der in 8 dargestellten Laservorrichtung für ultrakurze Impulse dient,
10 ist ein Diagramm eines optischen Wegs, in dem die Anordnung einer Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß der achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
11 ist ein Diagramm eines optischen Wegs, in dem die Anordnung der Überwachungseinheit der in 10 dargestellten Laservorrichtung für ultrakurze Impulse dargestellt ist,
12 ist ein Diagramm eines optischen Wegs, in dem die Anordnung einer Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß der neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
13 ist ein Diagramm eines optischen Wegs, in dem die Anordnung einer Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß der zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
14 ist ein Diagramm eines optischen Wegs, in dem die Anordnung einer Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß der elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
15 ist ein Diagramm eines optischen Wegs, in dem die Anordnung einer Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß der zwölften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
16 ist eine Schnittansicht, in der die Anordnung eines optischen Modulators dargestellt ist, der als die Impulserzeugungseinheit der in 15 dargestellten Laservorrichtung für ultrakurze Impulse dient,
17 ist ein Diagramm eines optischen Wegs, in dem die Anordnung einer Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß der dreizehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
18 ist eine Schnittansight, in der die Anordnung des Temperatureinstellmechanismus der in 17 dargestellten Laservorrichtung für ultrakurze Impulse dargestellt ist, und
19 ist ein Diagramm eines optischen Wegs, in dem die Anordnung einer Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß der vierzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Anordnungen und Funktionen der Ausführungsformen einer Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachstehend detailliert mit Bezug auf die 1 bis 19 beschrieben. In der Zeichnung bezeichnen die gleichen Bezugszahlen überall die gleichen Elemente, und es wird auf eine detaillierte Beschreibung von ihnen verzichtet. Die Abmessungsverhältnisse in der Zeichnung stimmen nicht immer mit denen in der Beschreibung überein.
Erste Ausführungsform
1 ist ein Diagramm, in dem eine Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt ist. Wie in 1 dargestellt ist, umfaßt diese Vorrichtung (a) ein Lasermedium 100, das aus einem Cr: LiSAF-(Cr³⁺: LiSrAlF₆)-Kristall als Festkörpermedium besteht, und (b) ein optisches Kondensorsystem, das aus einem konkaven Spiegel 210, der auf einer Lichteingangs-/Ausgangsflächenseite des Lasermediums 100 angeordnet ist, und einem konkaven Spiegel 220, der auf der anderen Lichteingangs-/Ausgangsflächenseite des Lasermediums 100 angeordnet ist und von dem konkaven Spiegel 210 um etwa 10 cm auf dem optischen Resonanzweg getrennt ist, besteht.
Diese Vorrichtung umfaßt auch (c) eine Phasendispersions-Kompensationseinheit 300, die aus zwei Prismen 310 und 320 besteht, welche aus BK7 aufgebaut sind und voneinander um einen Abstand von 46 cm auf dem optischen Weg getrennt sind, wobei das Lasermedium 100, der konkave Spiegel 210 und der konkave Spiegel 220 im Mittelabschnitt des optischen Wegs zwischen den Prismen 310 und 320 angeordnet sind, (d) einen Resonanzspiegel 510, der als ein HR (hochreflektierendes Element) mit einem hohen Brechungsindex für das Licht im optischen Resonanzweg dient und eine Endfläche des Laserresonators bildet, und einen Ausgangsspiegel 520, der von dem Resonanzspiegel 510 um 69 cm auf dem optischen Resonanzweg getrennt ist und die andere Endfläche des Laserresonators bildet, um als ein OC (Ausgangskoppler) zum Ausgeben des Lichts im optischen Resonanzweg aus dem Laserresonator zu dienen, und (e) eine Anregungsquelle 400 zum Zuführen von Anregungsenergie zum Lasermedium 100.
Die Phasendispersions-Kompensationseinheit 300 ist im Mittelabschnitt des optischen Fabry-Perot-Resonanzwegs zwischen den zwei Resonanzspiegeln 510 und 520 angeordnet. Weil das Lasermedium 100 im Mittelabschnitt des optischen Wegs zwischen den zwei Prismen 310 und 320 angeordnet ist, ist es fast in der Mitte des optischen Fabry-Perot-Resonanzwegs des Laserresonators angeordnet.
2 ist eine erklärende Ansicht der Arbeitsweise der Phasendispersions-Kompensationseinheit 300. Wie in 2 dargestellt ist, wird der Brechungsindex der zwei Prismen 310 und 320 hoch, wenn die Wellenlänge kurz wird. Daher läuft Licht mit einer kurzen Wellenlänge durch einen optischen Weg, der durch die durchgezogene Linie angegeben ist, und Licht mit einer langen Wellenlänge durch einen optischen Weg, der durch die unterbrochene Linie angegeben ist. Licht, das entlang demselben optischen Weg auf das Prisma 310 (oder das Prisma 320) fällt, wird vom Prisma 320 (oder vom Prisma 310) durch die zwei Prismen 310 und 320 ausgegeben, wenngleich die Lichtkomponenten in Einheiten parallel laufender Wellenlängen getrennt sind.
Die optische Weglänge durch die zwei Prismen 310 und 320 ändert sich abhängig von der Wellenlänge. Wenn der Abstand zwischen den zwei Prismen 310 und 320 eingestellt ist, wird die Phasendispersion im Laserresonator kompensiert, so daß der Gesamtdispersionsbetrag fast zu Null wird, wodurch die Phasen in Wellenlängeneinheiten in Übereinstimmung gebracht werden. Als die zwei Prismen 310 und 320 können im allgemeinen regelmäßig dreieckige Prismen verwendet werden.
Zum Verringern des optischen Verlusts fällt das Licht vorzugsweise unter dem Brewster-Winkel θ = tan^–1n ein, wobei n der Brechungsindex der beiden Prismen 310 und 320 ist. In diesem Fall kann ein vertikaler Winkel α von jedem der Prismen 310 und 320 durch Gleichung (5) erhalten werden: α = 2sin–1[(sin(tan–1n))/ n] (5)
Für die zwei aus BK7 bestehenden Prismen 310 und 320 beträgt der vertikale Winkel α etwa 67°. Licht läuft in der Nähe des Scheitels des vertikalen Winkels α der zwei Prismen 310 und 320. Daher braucht nur ein Abschnitt in der Nähe des Scheitels des vertikalen Winkels α eine Prismenform zu haben.
In ähnlicher Weise wird eine Phasendispersionskompensation auch unter Verwendung eines Beugungsgitterpaars ermöglicht, wenngleich das Beugungsgitterpaar unter Berücksichtigung des Lichtausnutzungsgrads verwendet werden muß, weil der optische Verlust verhältnismäßig hoch ist. Wenn die Konstruktionsschwierigkeit überwunden wurde und berücksichtigt wird, daß der Kompensationsbetrag nach der Herstellung nicht steuerbar ist, wird durch Mehrfachbeschichtung des Resonanzspiegels 510 oder des Ausgangsspiegels 520 eine Phasendispersionskompensation ermöglicht. Die Phasenkompensationseinrichtung zum Kompensieren der sekundären Phasendispersion wurde vorstehend beschrieben. Es können andere optische Vorrichtungen kombiniert werden, um die Phasendispersion höheren Grades zu kompensieren.
Der in der Phasendispersions-Kompensationseinheit 300 erzeugte sekundäre Phasendispersionsbetrag wird als 545 fs² berechnet. Es wird davon ausgegangen, daß der Phasendispersionsbetrag anderer Abschnitte der Laserresonatoren etwa –545 fs² beträgt. Bei dem in der Phasendispersions-Kompensationseinheit 300 erzeugten Phasendispersionsbetrag von 545 fs² beträgt die zwischen den beiden Prismen auftretende sekundäre Phasendispersion 935 fs² und die sekundäre Phasendispersion, die auftritt, wenn sich Licht über 10 cm zwischen den beiden Prismen 310 und 320 ausbreitet, –390 fs².
Um den sekundären Phasendispersionsbetrag von 545 fs² zu erhalten, muß der Abstand zwischen den Prismen für Prismen aus synthetischem Siliciumdioxid etwa 53 cm betragen, für Prismen aus SF10 etwa 27 cm betragen und für Prismen aus LaFN28 etwa 26 cm betragen. Diese Werte werden durch Berechnen des vertikalen Winkels a von jedem der Prismen auf der Grundlage der vorstehend beschriebenen Gleichung (5) erhalten, wobei angenommen wird, daß das Licht unter dem Brewster-Winkel einfällt.
Die Anregungsquelle 400 umfaßt (i) eine LD (Laserdiode) 410 zum Erzeugen von Anregungslicht und (ii) ein optisches Kondensorsystem 420 zum Kondensieren des Anregungslichts auf das Lasermedium 100. Der Cr: LiSAF-Kristall des Lasermediums 100 hat einen Kerr-Linseneffekt als einen nichtlinearen optischen Effekt, so daß kurze Impulse von dem Licht im optischen Resonanzweg auf der Grundlage der Kerr-Linsenmodensynchronisation als Selbstmodensynchronisation erzeugt werden. Das heißt, daß das Lasermedium auch die Funktion einer Impulserzeugungseinheit hat.
Bei dieser Vorrichtung führt die Anregungsquelle 400 dem Lasermedium 100 eine Anregungsenergie zu. In diesem Zustand tritt im Lasermedium 100 spontane Emission auf. Das Licht läuft durch den optischen Weg im Laserresonator, wobei stimulierte Emission erzeugt wird, während die abhängig von der Wellenlänge hervorgerufene Phasendispersion durch die Phasendispersions-Kompensationseinheit 300 kompensiert wird. Die Modensynchronisation wird durch den Kerr-Linseneffekt des Lasermediums 100 ausgelöst. Bei diesem Vorgang können durch Laseroszillation auf der Grundlage der Modensynchronisation ultrakurze Impulse mit einer Wiederholungsfrequenz f von 218 MHz erhalten werden.
Wenn in 1 die optische Weglänge zwischen dem Prisma 310 und dem Resonanzspiegel 510 auf 5 cm gelegt wird, die optische Weglänge zwischen dem Prisma 320 und dem Ausgangsspiegel 520 auf 5 cm gelegt wird und die Resonatorlänge L auf 56 cm gelegt wird, können ultrakurze Impulse mit einer Wiederholungsfrequenz f von 268 MHz erhalten werden.
Zweite Ausführungsform
3 ist ein Diagramm, in dem eine Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt ist. Wie in 3 dargestellt ist, umfaßt diese Vorrichtung weiterhin zusätzlich zur Anordnung der Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform (f) eine Spiegelschwingeinheit 530, die als eine Impulserzeugungseinheit dient, um die Reflexionsfläche eines Resonanzspiegels 510 entlang dem optischen Resonanzweg in Schwingung zu versetzen und kurze Impulse von Licht im optischen Resonanzweg auf der Grundlage der aktiven Modensynchronisation zu erzeugen.
Als Spiegelschwingeinheit 530 kann geeigneterweise ein Lautsprecher eingesetzt werden. In diesem Fall kann auf den Resonanzspiegel 510 eine Schwingung mit einer Frequenz von einigen Hz bis 200 Hz und einer Amplitude von 1 mm oder weniger angewendet werden.
Bei dieser Vorrichtung führt eine Anregungsquelle 400 einem Lasermedium 100 Anregungsenergie zu. Andererseits versetzt die Spiegelschwingeinheit 530 den Resonanzspiegel 510 in Schwingung. In diesem Zustand tritt im Lasermedium 100 spontane Emission auf. Das Licht läuft durch den optischen Weg im Laserresonator und ruft stimulierte Emission hervor, während die abhängig von der Wellenlänge hervorgerufene Phasendispersion durch eine Phasendispersions-Kompensationseinheit 300 kompensiert wird.
Die Modensynchronisation wird durch den Kerr-Linseneffekt des Lasermediums 100 und die Schwingung des Resonanzspiegels 510 eingeleitet. Die Modensynchronisation kann wegen der zusätzlich vorgesehenen Schwingung des Resonanzspiegels 510 leichter und geeigneter erreicht werden als bei der in 1 dargestellten Vorrichtung.
Auf diese Weise können ultrakurze Impulse bei einer Wiederholungsfrequenz f von 218 MHz durch Laseroszillation auf der Grundlage der Modensynchronisation erhalten werden. Wenn die Modensynchronisation eingeleitet wird, wird die Schwingung des Resonanzspiegels 510 unterbrochen. Auch bei dieser Vorrichtung können ultrakurze Impulse wie bei der in 1 dargestellten Vorrichtung in geeigneter Weise erhalten werden.
Dritte Ausführungsform
4 ist ein Diagramm, in dem eine Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß einer dritten Ausführungsform dargestellt ist. Bei der Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform sind die Materialien, die Größen und die Anordnung der verwendeten Elemente geeignet geändert, um die Resonatorlänge L weiter zu verringern. Wie in 4 dargestellt ist, umfaßt diese Vorrichtung (a) ein Lasermedium 100, das aus einem Cr: LiSAF-Kristall besteht, und (b) ein optisches Kondensorsystem, das aus einem konkaven Spiegel 212, der auf einer Lichteingangs-/Ausgangsflächenseite des Lasermediums 100 angeordnet ist, und einem konkaven Spiegel 222, der auf der anderen Lichteingangs-/Ausgangsflächenseite des Lasermediums 100 angeordnet ist und von dem konkaven Spiegel 212 etwa 15 cm auf dem optischen Resonanzweg getrennt ist, besteht.
Diese Vorrichtung umfaßt auch (c) eine Phasendispersions-Kompensationseinheit 302, die aus zwei Prismen 312 und 322 besteht, welche aus LaFN28 aufgebaut sind und voneinander um 28 cm auf dem optischen Weg getrennt sind, wobei das Lasermedium 100 im Mittelabschnitt des optischen Wegs zwischen den beiden Prismen 312 und 322 angeordnet ist, (d) einen Resonanzspiegel 512, der eine Endfläche des Laserresonators als ein HR bildet, und einen Ausgangsspiegel 522, der von dem Resonanzspiegel 512 um 30 cm auf dem optischen Resonanzweg getrennt ist und die andere Endfläche des Laserresonators als ein OC bildet, (e) eine Spiegelschwingeinheit 530, um die Reflexionsfläche des Resonanzspiegels 512 entlang dem optischen Resonanzweg in Schwingung zu versetzen, und (f) eine Anregungsquelle 400 zum Zuführen von Anregungsenergie zum Lasermedium 100.
Die Phasendispersions-Kompensationseinheit 302 ist im Mittelabschnitt des optischen Resonanzwegs zwischen den Resonanzspiegeln 512 und 522 angeordnet. Weil das Lasermedium 100 im Mittelabschnitt des optischen Wegs zwischen den Prismen 312 und 322 angeordnet ist, ist das Lasermedium 100 fast in der Mitte des optischen Resonanzwegs des Laserresonators angeordnet.
Gemäß dieser Ausführungsform werden wie gemäß der zweiten Ausführungsform ultrakurze Impulse erzeugt. Weil die Resonatorlänge L auf einen kleineren Wert gelegt ist als bei der zweiten Ausführungsform, nämlich auf etwa 30 cm, erreicht die Wiederholungsfrequenz etwa 500 MHz, was höher ist als bei der zweiten Ausführungsform.
Vierte Ausführungsform
5 ist ein Diagramm, in dem eine Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß einer vierten Ausführungsform dargestellt ist. Die Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform verwendet im Gegensatz zur ersten bis dritten Ausführungsform ein Farbstofflasermedium als ein Lasermedium. Wie in 5 dargestellt ist, umfaßt diese Vorrichtung (a) ein Lasermedium 103, das aus einem Farbstofflasermedium besteht, und (b) ein optisches Kondensorsystem, das aus einem konkaven Spiegel 210, der auf einer Lichteingangs-/Ausgangsflächenseite des Lasermediums 103 angeordnet ist, und einem konkaven Spiegel 220, der auf der anderen Lichteingangs-/Ausgangsflächenseite des Lasermediums 103 angeordnet ist, besteht.
Diese Vorrichtung umfaßt auch (c) eine Phasendispersions-Kompensationseinheit 303, die aus zwei Prismen 311 und 321 aus BK7 besteht, wobei das Lasermedium 103 im Mittelabschnitt des optischen Wegs zwischen den zwei Prismen 311 und 321 angeordnet ist, (d) einen sättigbaren Absorber 613, der im optischen Weg zwischen den zwei Prismen 311 und 321 angeordnet ist, der vom optischen Weg zwischen den zwei konkaven Spiegeln 210 und 220 verschieden ist, und (e) ein optisches Kondensorsystem, das aus einem konkaven Spiegel 623, der auf einer Lichteingangs-/Ausgangsflächenseite des sättigbaren Absorbers 613 angeordnet ist, und einem konkaven Spiegel 633, der auf der anderen Lichteingangs-/Ausgangsflächenseite des sättigbaren Absorbers 613 angeordnet ist, besteht.
Diese Vorrichtung umfaßt weiterhin (f) einen Resonanzspiegel 510, der eine Endfläche des Laserresonators als ein HR bildet, und einen Ausgangsspiegel 520, der die andere Endfläche des Laserresonators als ein OC bildet, und (g) eine Anregungsquelle 400 zum Zuführen von Anregungsenergie zum Lasermedium 103.
Die Phasendispersions-Kompensationseinheit 303 ist im Mittelabschnitt des optischen Wegs zwischen den zwei Resonanzspiegeln 510 und 520 angeordnet. Weil das Lasermedium 103 im Mittelabschnitt des optischen Wegs zwischen den Prismen 311 und 321 angeordnet ist, ist das Lasermedium 103 fast in der Mitte des optischen Fabry-Perot-Resonanzwegs des Laserresonators angeordnet.
Das Lasermedium 103 ist Rhodamine 6G als Farbstoffmedium. Der sättigbare Absorber 613 ist DQOCI oder DODCI als Farbstoffmedium und dient als eine Impulserzeugungseinheit mit einem nichtlinearen optischen Effekt zum Erzeugen kurzer Lichtimpulse im optischen Resonanzweg auf der Grundlage einer passiven Modensynchronisation. Der sättigbare Absorber 613 ist auf dem optischen Weg zwischen dem Prismenpaar der Phasendispersions-Kompensationseinheit 303 angeordnet.
Bei dieser Vorrichtung führt die Anregungsquelle 400 dem Lasermedium 103 Anregungsenergie zu. In diesem Zustand tritt im Lasermedium 103 spontane Emission auf. Das Licht läuft durch den optischen Weg im Lasermedium und bewirkt stimulierte Emission, während die abhängig von der Wellenlänge hervorgerufene Phasendispersion von der Phasendispersions-Kompensationseinheit 303 kompensiert wird. Die Modensynchronisation wird durch die Funktion des sättigbaren Absorbers 613 eingeleitet. Ultrakurze Impulse können auf der Grundlage der Modensynchronisation durch Laseroszillation erhalten werden.
Fünfte Ausführungsform
6 ist ein Diagramm, in dem eine Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß einer fünften Ausführungsform dargestellt ist. Wie in 6 dargestellt ist, unterscheidet sich die Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform in der Hinsicht von der vierten Ausführungsform, daß ein sättigbarer Absorber 613, ein konkaver Spiegel 623 und ein konkaver Spiegel 633 außerhalb des optischen Wegs zwischen einem Prismenpaar angeordnet sind, wodurch eine Phasendispersions-Kompensationseinheit 303 gebildet ist. Bei dieser Vorrichtung geschieht eine Laseroszillation auf der Grundlage einer Modensynchronisation, und es können wie bei der vierten Ausführungsform ultrakurze Impulse erhalten werden.
Sechste Ausführungsform
7 ist ein Diagramm, in dem eine Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß einer sechsten Ausführungsform dargestellt ist. Wie in 7 dargestellt ist, umfaßt diese Vorrichtung (a) ein Lasermedium 100, das aus einem Cr: LiSAF-Kristall besteht, und (b) ein optisches Kondensorsystem, das aus einem konkaven Spiegel 210, der auf einer Lichteingangs/Ausgangsflächenseite des Lasermediums 100 angeordnet ist, und einem konkaven Spiegel 220, der auf der anderen Lichteingangs-/Ausgangsflächenseite des Lasermediums 100 angeordnet ist und von dem konkaven Spiegel 210 auf dem optischen Resonanzweg um etwa 10 cm getrennt ist, besteht.
Diese Vorrichtung umfaßt auch (c) eine Phasendispersions-Kompensationseinheit 300, die aus zwei Prismen 310 und 320 aus BK7 besteht, welche voneinander um 46 cm auf dem optischen Weg getrennt sind, wobei das Lasermedium 100, der konkave Spiegel 210 und der konkave Spiegel 220 im Mittelabschnitt des optischen Wegs zwischen den zwei Prismen 310 und 320 angeordnet sind, (d) einen Resonanzspiegel 510, der eine Endfläche des Laserresonators als ein HR bildet, und einen Ausgangsspiegel 520, der die andere Endfläche des Laserresonators als ein OC bildet, und (e) eine Spiegelschwingeinheit 530, um die Reflexionsfläche des Resonanzspiegels 510 entlang dem optischen Resonanzweg in Schwingung zu versetzen.
Diese Vorrichtung umfaßt weiterhin (f) eine Anregungsquelle R zum Zuführen von Anregungsenergie zum Lasermedium 100, (g) eine Fördereinheit 560, die als eine Spiegelbewegungseinheit zum Bewegen der Position des Resonanzspiegels 510 auf der optischen Achse des Laserresonators dient, um die Resonatorlänge des optischen Resonanzwegs zu ändern, und (h) eine Fördereinheit 570, die als eine Spiegelbewegungseinheit zum Bewegen der Position des Ausgangsspiegels 520 auf dem optischen Weg dient, um die Resonatorlänge des optischen Resonanzwegs zu ändern.
Diese Vorrichtung unterscheidet sich in der Hinsicht von der zweiten Ausführungsform, daß die Vorrichtung weiterhin die zwei Fördereinheiten 560 und 570 aufweist. Die Phasendispersions-Kompensationseinheit 300 ist im Mittelabschnitt des optischen Wegs zwischen den zwei Resonanzspiegeln 510 und 520 angeordnet. Weil das Lasermedium 100 im Mittelabschnitt des optischen Wegs zwischen den zwei Prismen 310 und 320 angeordnet ist, ist es fast in der Mitte des optischen Fabry-Perot-Resonanzwegs des Laserresonators angeordnet.
Bei der Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform wird die Position des Resonanzspiegels 510 durch die Fördereinheit 560 festgelegt, und es wird gleichzeitig die Position des Ausgangsspiegels 520 durch die Fördereinheit 570 festgelegt, während das Lasermedium 100 am Mittelabschnitt des optischen Resonanzwegs gehalten wird. Mit dieser Operation wird die Resonatorstruktur, also die Resonatorlänge L, festgelegt.
Nachfolgend werden mit einem ähnlichen Vorgang wie bei der zweiten Ausführungsform ultrakurze Impulse bei einer Wiederholungsfrequenz erzeugt, die der Resonatorlänge L entspricht. Bei der Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform kann die Wiederholungsfrequenz aus dem Bereich von etwa 100 MHz bis etwa 300 MHz ausgewählt werden.
Gemäß dieser Ausführungsform werden sowohl der Resonanzspiegel 510 als auch der Ausgangsspiegel 520 bewegt, während das Lasermedium 100 im Mittelabschnitt des optischen Resonanzwegs gehalten wird. Solange der Abstand vom Lasermedium 100 zum Ausgangsspiegel 520 etwa 1/3 bis zum 3fachen des Abstands vom Lasermedium 100 zum Resonanzspiegel 520 beträgt, kann nur einer von dem Resonanzspiegel 510 und dem Ausgangsspiegel 520 bewegt werden. Wenngleich die Modensynchronisation in diesem Fall leicht instabil wird, kann ein Mittel zum Lösen dieser Instabilität hinzugefügt werden.
Wenn die Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform die Fördereinheiten 560 und 570 aufweist, kann die Wiederholungsfrequenz aus dem Bereich von etwa 100 MHz bis etwa 500 MHz ausgewählt werden.
Siebte Ausführungsform
8 ist ein Diagramm, in dem eine Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß einer siebten Ausführungsform dargestellt ist. Wie in 8 dargestellt ist, unterscheidet sich diese Vorrichtung von der zweiten Ausführungsform nur dadurch, daß bei dieser Vorrichtung ein MOPA-Halbleiterlaser 411 als Halbleiterlaser verwendet wird.
Die 9A und 9B sind Darstellungen, in denen die Anordnungen von MOPAs dargestellt sind. 9A zeigt die Anordnung eines sich verengenden Halbleiterlaserverstärkungs-MOPAs mit getrennten Vorrichtungen. 9B zeigt die Anordnung eines sich verengenden Halbleiterlaserverstärkungs-MOPAs mit integrierten Vorrichtungen.
Wie in 9A dargestellt ist, umfaßt der sich verengende LD-Verstärkungs-MOPA mit getrennten Vorrichtungen eine Hauptoszillatoreinheit 430, die aus einem Oszillator 432 als eine einmodige LD und einem optischen Vermittlungssystem 433, das aus einer Linsengruppe zum Vermitteln von Ausgangslicht vom Oszillator 432 besteht, aufgebaut ist, und eine Leistungsverstärkereinheit 431, die aus einem optischen Verstärker 434 als eine sich verengende LD zum Verstärken eines vom optischen Vermittlungssystem 433 geführten Lichtstrahls besteht, sowie ein optisches Kondensorsystem 435 zum Konzentrieren des Ausgangslichts von der sich verengenden LD 434.
Wie in 9B dargestellt ist, umfaßt der sich verengende LD-Verstärkungs-MOPA mit integrierten Vorrichtungen eine Hauptoszillatoreinheit 440 und eine Leistungsverstärkereinheit 441, die auf einem Substrat integriert ausgebildet sind. Die Hauptoszillatoreinheit 440 weist eine einmodige LD auf, deren Aufbau demjenigen des Oszillators 432 gleicht. Die Leistungsverstärkereinheit 441 weist eine sich verengende LD auf, deren Aufbau demjenigen des optischen Verstärkers 434 gleicht. Die Hauptoszillatoreinheit 440 kann weiterhin einen optischen Modulator zwischen der einmodigen LD und der sich verengenden LD aufweisen.
Beide MOPAs bestehen aus einer Hauptoszillatoreinheit und einer Leistungsverstärkereinheit, die optisch mit dem Oszillator der Hauptoszillatoreinheit gekoppelt ist. Zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen sich verengenden Halbleiterlaserverstärkungs-MOPAs gibt es auch Beugungsgitterresonator-MOPAs.
Zum Erhöhen der Lichtintensität eines Laserstrahls muß die Intensitätsdichte des Anregungslichts in einem Lasermedium 100 erhöht werden. Wenn ein allgemeiner Hochleistungs-Halbleiterlaser verwendet wird, kann das Licht kaum konzentriert werden, weil der Hochleistungs-Halbleiterlaser eine aktive Schicht mit einer großen Querschnittsfläche aufweist. Beim MOPA tritt die Oszillation jedoch zuerst in einem kleinen Abschnitt der Querschnittsfläche der aktiven Schicht auf, und es erfolgt dann die Leistungsverstärkung. Aus diesem Grunde kann ein Hochleistungs-Laserstrahl erhalten werden, der leicht konzentriert werden kann.
Bei der Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform kann die Intensitätsdichte des Anregungslichts im Lasermedium 100 erhöht werden und die Modensynchronisation stabilisiert werden. Daher können geeignete ultrakurze Impulse erhalten werden. Weil überdies sowohl das Lasermedium 100 als auch die Anregungsquelle 400 aus festen Materialien bestehen, weist die gesamte Laservorrichtung eine Festkörperstruktur auf, und die Vorrichtung kann leicht gehandhabt werden.
Achte Ausführungsform
10 ist ein Diagramm, in dem eine Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß einer achten Ausführungsform dargestellt ist. Wie in 10 dargestellt ist, unterscheidet sich diese Vorrichtung in der Hinsicht von der zweiten Ausführungsform, daß sie weiterhin eine Überwachungseinheit 710 aufweist, welche den Modensynchronisationszustand des Lasers überwacht, um einer Spiegelschwingeinheit 530 vorzuschreiben, das In-Schwingung-Versetzen der Reflexionsfläche zu beenden, wenn die Modensynchronisation des Lasers eingeleitet wird, und der Spiegelschwingeinheit 530 vorzuschreiben, mit dem In-Schwingung-Versetzen der Reflexionsfläche zu beginnen, wenn die Modensynchronisation des Lasers aufgehoben wird.
11 ist ein Diagramm, in dem die Anordnung der Überwachungseinheit 710 dargestellt ist. Wie in 11 dargestellt ist, umfaßt die Überwachungseinheit 710 (i) einen elektrooptischen Kristall 711 zum Empfangen von der Lichteinfallsfläche eines Prismas 320 reflektierten Lichts und zum Erzeugen von SHG-Licht (durch Erzeugung der zweiten Harmonischen gebildetes Licht), (ii) ein Wellenlängenfilter 712 zum Durchlassen nur des Lichts der zweiten Harmonischen und (iii) einen Photodetektor zum Empfangen von Licht durch das Wellenlängenfilter 712 und zum Erfassen der Lichtintensität. Als der elektrooptische Kristall 711 kann in geeigneter Weise ein LIO-(Lithiumiodat; LiIO₃)-Kristall oder ein ADP-(Rmmoniumdihydrogenphosphat; NH₄HP₂O₄)-Kristall verwendet werden.
Wenn Licht im optischen Resonanzweg in einen Modensynchronisationszustand versetzt wird, nimmt die Intensität des Lichts im Laserresonator zu. Wenn das von der Lichteinfallsfläche des Prismas 320 reflektierte Licht daher auf den elektrooptischen Kristall 711 fällt, nimmt die SHG-Lichtintensität zu. Diese Änderung der Lichtintensität des SHG-Lichts wird von einem Photodetektor 713 erfaßt, wodurch der Modensynchronisationszustand überwacht wird.
In dieser Vorrichtung werden ebenso wie gemäß der zweiten Ausführungsform ultrakurze Impulse erzeugt. Durch Überwachen des Modensynchronisationszustands des Lasers wird das In-Schwingung-Versetzen unterbrochen, wenn die Modensynchronisation eingeleitet wurde, und wird das In-Schwingung-Versetzen eingeleitet, um den Modensynchronisationszustand wieder einzuleiten, wenn die Modensynchronisation aufgehoben wurde. Folglich kann der Modensynchronisationszustand stabil aufrechterhalten werden, so daß stabil ultrakurze Impulse erhalten werden können.
Neunte Ausführungsform
12 ist ein Diagramm, in dem eine Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß einer neunten Ausführungsform dargestellt ist. Diese Vorrichtung unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform dadurch, daß sie weiterhin als einen Wellenlängenauswahlmechanismus eine Spiegeldreheinheit 540 zum Ändern des Winkels der Reflexionsfläche eines Resonanzspiegels 510 in Bezug auf den optischen Resonanzweg aufweist.
Bei dieser Vorrichtung wird der Winkel des Resonanzspiegels 510 durch die Spiegeldreheinheit 540 in Bezug auf den optischen Resonanzweg geändert. Folglich wird von Lichtkomponenten mit verschiedenen Wellenlängen und verschiedenen optischen Wegen, die durch eine Phasendispersions-Kompensationseinheit 300 in Wellenlängeneinheiten festgelegt werden, nur eine Lichtkomponente mit einem gewünschten Wellenlängenbereich zum optischen Resonanzweg zurückgeführt. Mit dieser Anordnung kann die Mittenwellenlänge eines sich ergebenden ultrakurzen Impulses geändert werden.
Zehnte Ausführungsform
13 ist ein Diagramm, in dem eine Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß einer zehnten Ausführungsform dargestellt ist. Wie in 13 dargestellt ist, unterscheidet sich diese Vorrichtung in der Hinsicht von der ersten Ausführungsform, daß sie weiterhin einen Wellenlängen auswahlmechanismus aufweist, der aus einem Schlitz 721, der im optischen Resonanzweg angeordnet ist, und einer Schlitzbewegungseinheit 722 zum Bewegen des Schlitzes 721 senkrecht zum optischen Resonanzweg besteht.
Bei dieser Vorrichtung wird der Schlitz 721 durch die Schlitzbewegungseinheit 722 senkrecht zur optischen Achse des Laserresonators bewegt. Folglich wird von den Lichtkomponenten mit verschiedenen Wellenlängen und verschiedenen optischen Wegen, die durch eine Phasendispersions-Kompensationseinheit 300 in Wellenlängeneinheiten festgelegt wurden, nur eine Lichtkomponente mit einem gewünschten Wellenlängenbereich als Resonanzlicht extrahiert. Mit dieser Anordnung kann die Mittenwellenlänge des sich ergebenden ultrakurzen Impulses geändert werden.
Elfte Ausführungsform
14 ist ein Diagramm, in dem eine Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß einer elften Ausführungsform dargestellt ist. Wie in 14 dargestellt ist, unterscheidet sich diese Vorrichtung in der Hinsicht von der zweiten Ausführungsform, daß sie weiterhin einen Resonanzspiegel 580 aufweist und einen ringförmigen optischen Resonanzweg hat.
Diese Vorrichtung hat einen ringförmigen, d. h. schleifenförmigen optischen Resonanzweg, so daß der Abstand zwischen einem Lasermedium 100 und zwei Resonanzspiegeln 510 und 520 nicht berücksichtigt werden muß. Daher kann das Lasermedium 100 an einer beliebigen Position im optischen Resonanzweg angeordnet werden, und es können in geeigneter Weise ultrakurze Impulse erzeugt werden. Die Wiederholungsfrequenz f der Laserimpulse wird unter Verwendung einer Resonatorlänge L des optischen Resonanzwegs durch Gleichung (6) dargestellt: f = c/L (6)
Zwölfte Ausführungsform
15 ist ein Diagramm, in dem eine Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß einer zwölften Ausführungsform dargestellt ist. Wie in 15 dargestellt ist, unterscheidet sich diese Vorrichtung in der Hinsicht von der ersten Ausführungsform, daß sie als einen optischen Modulator einen mit einem Lasermedium 100 integrierten Wandler 551, um Licht im optischen Resonanzweg zu modulieren, und eine Einheit 552 zum Erzeugen eines veränderlichen Modulationssignals, das ein Modulationssignal veränderlich einstellt, das dem Wandler 551 zuzuführen ist, um den Moden-synchronisationszustand zu stabilisieren, aufweist.
16 ist eine Schnittansicht, in der der Aufbau des Wandlers 551 dargestellt ist. Wie in 16 dargestellt ist, ist eine LN-(Lithiumniobat; LiNbO₃)-Schicht zwischen aus NiCr, An und In bestehenden Mehrfachschichten gebildet, wodurch eine Wandlerfunktion verwirklicht wird. Eine Dicke d der LN-Schicht zum Erfüllen der Resonanzbedingung ist durch die Gleichungen (7) und (8) dargestellt: d = Λ(2n + 1)/2 (7) Λ = ν/f (8)wobei A: Wellenlänge einer Ultraschallwelle, die sich durch die LN-Schicht ausbreitet
ν: Geschwindigkeit der Ultraschallwelle in der
LN-Schicht entlang der Ausbreitungsrichtung
f: an den Wandler angelegte Frequenz
n: ganze Zahl
Wenn f = 268 MHz, ν = 7,2 × 10⁵ cm/s und n = 1 ist, beträgt die Dicke d der LN-Schicht 216 μm.
Bei der Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform führt eine Anregungsquelle 400 dem Lasermedium 100 eine Anregungsenergie zu. Andererseits führt die Einheit 552 zum Erzeugen eines veränderlichen Modulationssignals dem Wandler 551 ein Modulationssignal zu. In diesem Zustand tritt im Lasermedium 100 spontane Emission auf. Das Licht breitet sich über den optischen Weg im Laserresonator aus und bewirkt stimulierte Emission, während die abhängig von der Wellenlänge hervorgerufene Phasendispersion durch eine Phasendispersions-Kompensationseinheit 300 kompensiert wird.
Die Modensynchronisation wird durch die optische Modulationsfunktion des Wandlers 551 und die Schwingung eines Ausgangsspiegels 520 zusätzlich zum Kerr-Linseneffekt des Lasermediums 100 eingeleitet. Durch Aufnehmen der optischen Modulationsfunktion des Wandlers 551 und der Schwingung des Ausgangsspiegels 520 kann die Modensynchronisation leichter und besser erreicht werden als bei der in 1 dargestellten Vorrichtung. Auf diese Weise können durch Laseroszillation auf der Grundlage der Modensynchronisation ultrakurze Impulse erhalten werden.
Bei der Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform ist ein Teil der im Laserresonator angeordneten Impulserzeugungseinheit mit dem Lasermedium im Resonator integriert, und sie braucht daher keinen unabhängigen Raum im Resonator zu belegen. Daher kann eine Größenverringerung der Vorrichtung erreicht werden.
Dreizehnte Ausführungsform
17 ist ein Diagramm, in dem eine Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß einer dreizehnten Ausführungsform dargestellt ist. Wie in 17 dargestellt ist, unterscheidet sich diese Vorrichtung in der Hinsicht von der zweiten Ausführungsform, daß sie weiterhin einen Temperatureinstellmechanismus 150 zum Einstellen der Temperatur eines Lasermediums 100 fast auf einen vorbestimmten Wert aufweist.
18 ist eine Schnittansicht, in der die Anordnung des Temperatureinstellmechanismus 150 dargestellt ist. Wie in 18 dargestellt ist, umfaßt der Temperatureinstellmechanismus 150 als eine Kühleinheit (i) eine Peltier-Vorrichtung 151, die das Lasermedium 100 eng berührt, um die Wärme des Lasermediums 100 aufzunehmen, und (ii) ein Wärmeabfuhrelement 152, das die Peltier-Vorrichtung 151 eng berührt, um die Wärme von der Peltier-Vorrichtung mit dem Kühlwasser aus dem Laserresonator abzuführen.
In der Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform wird eine Laseroszillation ausgeführt, während die Temperatur des Lasermediums 100 bei einer für das Lasermedium 100 geeigneten Betriebstemperatur (im allgemeinen bei einer niedrigen Temperatur) gehalten wird. Dadurch können ultrakurze Impulse mit einer stabilen Intensität erhalten werden.
Vierzehnte Ausführungsform
19 ist ein Diagramm, in dem eine Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß einer vierzehnten Ausführungsform dargestellt ist. Wie in 19 dargestellt ist, unterscheidet sich diese Vorrichtung in der Hinsicht von der zwölften Ausführungsform, daß sie weiterhin eine Überwachungseinheit 710 aufweist, die den Modensynchronisationszustand des Lasers überwacht, um einer Einheit 552 zum Erzeugen eines veränderlichen Modulationssignals vorzuschreiben, die optische Modulation zu unterbrechen, wenn die Modensynchronisation des Lasers eingeleitet wurde, und der Einheit 552 zum Erzeugen des veränderlichen Modulationssignals vorzuschreiben, eine optische Modulation einzuleiten, wenn die Modensynchronisation des Lasers aufgehoben wurde.
In dieser Vorrichtung werden ultrakurze Impulse wie bei der zwölften Ausführungsform erzeugt. Durch Überwachen des Modensynchronisationszustands des Lasers wird die optische Modulation unterbrochen, wenn die Modensynchronisation des Lasers eingeleitet wurde, und die optische Modulation wird eingeleitet, um den Modensynchronisationszustand wieder einzuleiten, wenn die Modensynchronisation aufgehoben wurde. Folglich kann der Modensynchronisationszustand stabil gehalten werden, so daß ultrakurze Impulse stabil erhalten werden können.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt, und es können verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden. Beispielsweise ist in den vorstehenden Ausführungsformen nur Cr: LiSAF als ein Festkörper-Lasermedium angegeben. Es kann jedoch auch ein beliebiges anderes Festkörpermedium verwendet werden.
In den vorstehenden Ausführungsformen ist nur Rhodamine 6G als Beispiel eines Farbstofflasermediums angegeben, und es sind nur DQOCI und DODCI als Beispiele sättigbarer Absorber angegeben. Es kann jedoch auch jeder andere sättigbare Absorber oder jedes andere Farbstofflasermedium verwendet werden, sofern der Laser ultrakurze Impulse auf der Grundlage der passiven Modensynchronisation unter Verwendung der Farbstoffe erzeugen kann.
Wie vorstehend detailliert beschrieben worden ist, ist bei der Laservorrichtung für ultrakurze Impulse gemäß der vorliegenden Erfindung das Lasermedium im optischen Weg zwischen den zwei optischen Elementen, beispielsweise einem Prismenpaar oder einem Beugungsgitterpaar der Phasendispersions-Kompensationseinheit angeordnet. Selbst wenn bei dieser Anordnung das Lasermedium im wesentlichen in der Mitte des Laserresonators angeordnet ist, um die Modensynchronisation des Lasers zu stabilisieren, kann die Resonatorlänge des optischen Resonanzwegs verringert werden. Daher kann die Laservorrichtung selbst kompakt gemacht werden, und es können gleichzeitig ultrakurze Impulse bei einer hohen Wiederholungsfrequenz erhalten werden.
Wenn der Resonanzspiegel durch die am Resonanzspiegel angebrachte Spiegelbewegungseinheit entlang dem optischen Resonanzweg bewegt wird, wird weiterhin die Resonatorlänge des optischen Resonanzwegs variabel eingestellt. Dadurch kann die Wiederholungsfrequenz der Laserimpulse variabel eingestellt werden.
Es sei bemerkt, daß Ausführungsformen der Erfindung hier nur als Beispiel beschrieben wurden und daß Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
Weitere Einzelheiten der Aspekte der Erfindung können der japanischen Anmeldung 68725/1996 entnommen werden.

Claims

Laservorrichtung für ultrakurze Impulse, aufweisend: ein Lasermedium (100), einen Laserresonator, der das Lasermedium (100) beinhaltet und einen Laserstrahl nach außen abgibt, und eine Anregungsquelle (400) zur Abgabe einer Anregungsenergie an den Laserresonator, um das Lasermedium (100) anzuregen, wobei der Laserresonator aufweist: mehrere Resonanzspiegel (510, 520), die unter Bildung eines optischen Resonanzwegs auf beiden Seiten des Lasermediums (100) angeordnet sind, eine Phasendispersions-Kompensationseinheit, die zwei optische Elemente (310, 320) enthält, von denen das erste optische Element (310) auf einer Lichteingangs-/Ausgangsflächenseite des Lasermediums (100) und das zweite optische Element (320) auf der anderen Lichteingangs-/Ausgangsflächenseite des Lasermediums (100) angeordnet ist, und beide optischen Elemente (310, 320) auf dem optischen Resonanzweg angeordnet sind, so daß sie in Gebrauch die Phasendispersion von Licht in dem optischen Resonanzweg kompensieren, wobei der Laserresonator dadurch gekennzeichnet ist, daß die optischen Elemente innerhalb der Phasendispersions-Kompensationseinheit unabhängig von den Resonanzspiegeln (510, 520) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die genannten Resonanzspiegel einen Auskoppelspiegel, um den Laserstrahl aus dem Laserresonator nach außen abzugeben, und einen hochreflektierenden Spiegel mit einer größeren Reflektivität bezüglich des Lichts in dem optischen Resonanzweg als der des Auskoppelspiegels beinhalten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Phasendispersions-Kompensationseinheit für die genannten zwei optischen Elemente ein Paar Prismen oder ein Paar Beugungsgitter beinhaltet, die zur Trennung des Lichts in dem optischen Resonanzweg in mehrere sich parallel ausbreitende Wellenlängenkomponenten angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Laserresonator außerdem eine Spiegelbewegungseinheit zum Bewegen mindestens eines der Resonanzspiegel entlang dem optischen Resonanzweg aufweist, um die Resonatorlänge des optischen Resonanwegs zu ändern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Laserresonator außerdem einen Wellenlängenauswahlmechanismus aufweist, um für den Laserstrahl eine vorbestimmte Wellenlängenkomponente aus dem Licht des optischen Resonanzwegs zu gewinnen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Wellenlängenauswahlmechanismus eine Spiegeldreheinheit zum Ändern eines Winkels einer Relexionsfläche mindestens eines der Resonanzspiegel bezüglich des optischen Resonanzwegs beinhaltet.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Wellenlängenauswahlmechanismus einen auf dem optischen Resonanzweg angeordneten Schlitz und eine Schlitzbewegungseinheit zum Bewegen des Schlitzes in Querrichtung zum optischen Resonanzweg beinhaltet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Lasermedium einen nicht-linearen optischen Effekt aufweist und aus dem Licht in dem optischen Resonanzweg aufgrund der Selbstmodensynchronisation kurze Impulse erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Lasermedium ein festes Medium ist, das als nicht-linearen optischen Effekt einen Kerr-Linseneffekt aufweist und die kurzen Impulse aus dem optischen Resonanzweg aufgrund einer Kerr-Linsenmodensynchronisation als Selbstmodensynchronisation erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei mindestens einer der Resonanzspiegel eine Spiegelschwingeinheit aufweist, um eine Modensynchronisation einzuleiten.
Vorrichtung nach Anspruch 10, mit einer Überwachungseinheit, die einen Modensynchronisationszustand des Lasers überwacht, um zu bestimmen, daß die Spiegelschwingeinheit ein Schwingen der reflektierenden Fläche beendet, wenn eine Modensynchronisation des Lasers beginnt, und zu bestimmen, daß die Spiegelschwingeinheit ein Schwingen der reflektierenden Fläche beginnt, wenn eine Modensynchronisation des Lichts zerstört ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Laserresonator außerdem eine impulserzeugende Einheit zur Erzeugung kurzer Impulse aus dem Licht in dem optischen Resonanzweg aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die impulserzeugende Einheit in einem optischen Weg zwischen den beiden genannten optischen Elementen der Phasendispersions-Kompensationseinheit angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die impulserzeugende Einheit einen sättigbaren Absorber mit nicht-linearem optischen Effekt aufweist, der in dem optischen Resonanzweg angeordnet ist, um aus dem Licht im optischen Resonanzweg aufgrund passiver Modensynchronisation die kurzen Impulse zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die impulserzeugende Einheit einen mit dem Lasermedium integrierten optischen Modulator, um das Licht in dem optischen Resonanzweg zu modulieren und die kurzen Impulse aus dem Licht in dem optischen Resonanzweg aufgrund aktiver Modensynchronisation zu erzeugen, und einen variablen Modulationssignalerzeuger zum variablen Einstellen eines Modulationssignals aufweist, das dem optischen Modulator zugeführt werden soll.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die impulserzeugende Einheit außerdem eine Überwachungseinheit aufweist, die einen Modensynchronisationszustand des Lasers überwacht und die Modensynchronisationsbedingung aufgrund des von dem variablen Modulationssignalgenerator erzeugten Signals stabilisiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Lasermedium ein festes Medium und die Anregungsquelle ein Halbleiterlaser ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei der Halbleiterlaser einen Hauptoszillator-Leistungsverstärker-Aufbau aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Laserresonator außerdem einen Temperatureinstellmechanismus aufweist, um die Temperatur des Lasermediums im wesentlichen bei einem vorbestimmten Wert zu halten.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei der Temperatureinstellmechanismus eine in Kontakt mit dem Lasermedium angeordnete Kühleinheit zur Absorption von Wärme des Lasermediums und ein in Kontakt mit der Kühleinheit angeordnetes Wärmeabfuhrelement, um Wärme aus der Kühleinheit außerhalb des Laserresonators abzuführen, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Laserresonator für die genannten Resonanzspiegel zwei Resonanzspiegel aufweist, die unter Bildung des optischen Resonanzwegs als optischer Fabry-Perot-Weg angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Laserresonator für die genannten Resonanzspiegel mindestens drei Resonanzspiegel aufweist, die unter Bildung des optischen Resonanzwegs als ringartiger optischer Weg angeordnet sind.