JP2006030288A

JP2006030288A - 誘電体多層膜ミラー

Info

Publication number: JP2006030288A
Application number: JP2004204833A
Authority: JP
Inventors: Masafumi Okuno; 雅史奥野; Akira Watabe; 明渡部
Original assignee: HIKARI PHYSICS KENKYUSHO KK
Current assignee: HIKARI PHYSICS KENKYUSHO KK
Priority date: 2004-07-12
Filing date: 2004-07-12
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】非常に煩雑な光軸調整作業が必要なく、しかも、分散補償を容易にする。
【解決手段】低屈折率薄膜と高屈折率薄膜とを交互に複数層積層した層を誘電体多層膜とし、この多層膜の膜厚を傾斜膜厚とすることにより、２次の群速度分散量を光の当たる場所によって調整できる構成としてある。低屈折率薄膜としてＳｉＯ₂、高屈折率薄膜としてＴａ₂Ｏ₅を用いる。
【選択図】図１

Description

この発明は、レーザ共振器内部およびそこから出力された外部での光の群速度の２次の分散を制御することが必要な光学系に使用して特に好適な誘電体多層膜ミラーに関する。

現在、パルス幅が数百フェムト秒以下のレーザ光の利用が医療分野や加工分野で注目されている。このようなレーザ光を、出力するにあたって、レーザ共振器内部やその外部において、レ−ザ光の波長の群速度分散を補償する技術が重要な鍵となっている。その補償技術の一つは、レーザ共振器内部にプリズム対を配置しプリズム自体の内部の分散と光路長の変化を利用する方法であり、この方法が一般的に行われている。また、特許文献１及び２に開示されているような共振器内部のミラーを分散補償できるミラーを用いて、群速度分散を補償する方法もある。

プリズム対を用いる第１の方法は、連続的に群速度分散を補償できるため分散補償の面では最適値へ調整することができる長所がある。一方、分散補償ミラーを用いる第２の方法は、ミラーの反射回数でしか群速度分散を補償できないため、軸調整が比較的簡易である。
特許第２７５４２１４号公報米国特許第５７３４５０３号公報

しかしながら、上述の第１の方法は、群速度分散の最適値への調整には、必ずプリズムの光軸調整が必要となるため、煩雑な作業が発生してしまう、という問題があった。

又、上述の第２の方法は、よりパルス幅の狭いレーザのような分散補償を行うとき、分散補償の面で難しくなる、という問題があった。

そこで、この発明の第１の目的は、誘電体多層膜ミラーの面内において、膜厚を変化させることにより、場所による群速度分散を変化させることが出来る当該誘電体多層膜ミラーを提供することにある。

この発明の第２の目的は、誘電体多層膜ミラーを構成する各層の膜の膜厚の比率を一定に保ったまま、場所による連続的な膜厚変化を有する当該誘電体多層膜ミラ−を提供することにある。

この発明の第３の目的は、誘電体多層膜ミラーを構成する各層の膜の膜厚の相対的な比率を保ったまま膜厚が連続的に変化している場合、２次の群速度分散が連続的に変化するような膜厚を有していて、しかも、膜厚変化があったとしても、所望の波長においては反射率も一定に保てる当該誘電体多層膜ミラーを提供することにある。

この発明の第４の目的は、レーザ共振器内部のミラーとしての使用を考慮して、より高反射率を有する誘電体多層膜ミラーを提供することにある。

上述した目的の達成を図るため、この発明は、下記のような構成上の特徴を有する。

まず、この発明による誘電体多層膜ミラ−は、基板と、この基板上に設けられている誘電体多層膜を具えている。この誘電体多層膜は、低屈折率薄膜と、この低屈折率薄膜よりも屈折率が高い高屈折率薄膜とが交互に積層された構成を具えている。そして、この多層膜は、積層された面内方向の場所によって、群速度分散に異なる値を与える膜厚で構成されている点に特徴を有する。

また、この発明の実施に当たり、上述した多層膜の膜厚を連続的に変化させておくのが好適である。

さらに、この発明の実施に当たり、好ましくは、多層膜は、場所によって異なっている膜厚を有しており、かつ、多層膜を構成する各膜の膜厚の比率は一定に保たれているのがよい。

さらに、この発明の実施に当たり、好ましくは、光の波長の３次の群速度分散は、多層膜の膜厚範囲において正の特定の値であるのがよい。

或いはまた、この発明の他の好適例では、光の波長の３次の群速度分散は、多層膜の膜厚範囲において負の特定の値であるのがよい。

さらに、この発明の他の好適実施例では、光の波長に対して反射率が９９．９％以上であるのがよい。

さらに、固体レーザ共振器の好適実施例によれば、上述した誘電体多層膜ミラーを有するミラーを、レーザ共振器内の光学部品として、具えるのがよい。

この発明の誘電体多層膜ミラーによれば、多層膜を、面内の場所によって、膜厚を変化させた構成としてあるので、従来はプリズム対でしか実現できなかった群速度分散を実現出来、これにより分散補償を容易に行うことが可能となる。特に、膜厚を連続的に変化させた構成とする場合には、群速度変化を連続的に行うことが可能となる。

また、従来、傾斜膜厚の構成（特開平１１−３２６６３２公報）は、波長選択素子に使われているが、この発明では、波長選択ではなく、膜厚傾斜により任意の２次の群速度分散を制御できるというメリットがある。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。なお、以下の説明に用いる各図は、この発明を理解できる程度に各構成成分の寸法、形状、配置関係などを概略的に示してあるに過ぎない。また、各図において、同様な構成成分については同一の番号を付けて示し、重複する説明を省略することもある。

図１は、膜厚分布をもった誘電体多層膜ミラーの断面図である。誘電体多層膜ミラー１０は、基板１１上に誘電体多層膜１２が設けられている。基板は、透明或いは不透明な平行平板とする。この多層膜１２は、基板側から第１の層の誘電体膜１３，第２の層の誘電体膜１４，……，最外側の、すなわち空気に接触する面の誘電体膜１５まで、多層に積層されて設けられている。この多層膜は、屈折率が比較的低い材料で作られた低屈折率薄膜（単に、Ｌ層とも称する。）と、屈折率が比較的高い材料で作られてた高屈折率薄膜（単に、Ｈ層とも称する。）を、交互に、積層して構成されている。多層膜１２の膜厚は、薄い部分から厚い部分に向かって、好ましくは連続的に、増加している。また、この構成例では、誘電体多層膜１２の各層を構成する個々の膜の膜厚の比率は一定としてある。ミラ−１０のこのような傾斜した膜厚分布（傾斜膜厚ともいう。）が作られるとき、膜厚の移り変わる間の中心付近（図１に符号１７で示す領域）で、図２に符号２２で示すような特性をもった誘電体多層膜ミラーを考える。尚、図２は、横軸に波長を取り、及び縦軸に２次の群速度分散を取って示した、波長−群速度分散特性図である。これは、波長が増加すれば、２次の群速度分散は増加し、逆に波長が減少すれば、２次の群速度分散は減少する特性である。そして、光の角振動数の増加に対しては、２次の群速度分散は減少しているので、３次の群速度分散は負の値となる。

ミラーを構成する各層の個々の膜の膜厚の比率が、最薄部と最厚部との間にわって、一定に保たれているとする。その場合、中心付近の膜厚に比べて図１に符号１６で示したミラ−端付近まで薄くなっていると、図２に符号２２で示した薄い部分での当該特性は、全体が短波長側へシフトするため、図２に符号２１で示したような特性になる。一方、中心付近にくらべ、図１に符号１８で示したように膜厚が厚くなっていると、図２に符号２２で示した厚い部分での当該特性は、特性全体が長波長側へシフトし、図２に符号２３で示した特性のようになる。

以上のような誘電体多層膜ミラー１０を考えているとき、例えば、波長λcの光がミラーの中心に入射したとき（図１に符号１７で示す。）、光の２次の群速度分散はG_Cとなる。ミラー１０を移動するあるいは光を移動することにより、ミラー１０の膜厚の厚い部分に光が当たった場合（図１に符号１８で示す領域）、２次の群速度分散はG_Dとなる。逆に同様な手法で、ミラー１０の膜厚の薄い部分に光が当たった場合（図１に符号１６で示す領域）、２次の群速度分散はG_Uとなる。このように、ミラー１０に光が当たる位置を移動させることにより、２次の群速度分散を連続的にG_DからG_Uの範囲内で任意に選ぶことが可能となる。

レーザ共振器（図示せず）内にこのミラー１０を導入することを考慮すると、ミラ−１０は、この２次の群速度分散の特性を得る必要があると同時に、中心付近（図１に符号１７で示す。）において、図２に示すλSからλL の波長領域内の波長の光に対し高反射率である必要がある。さらに、通常、群速度分散を補償するミラ−として、レ−ザ共振器内で使用する時は、多数回の反射を前提としているため、９９．９％以上の反射率であることが望まれる。

以上の内容の具体的な設計を表１に一例として示す。この表１の例は、２次の群速度分散の特性が波長増加に対して正の傾き（３次の群速度分散が負の値）を持ち、かつ、反射率が所望の波長範囲内で９９．９％以上となるように設計された。

この表１において、基板と空気の層との間に、４８層の膜を設けてある。低屈折率薄膜と高屈折率薄膜とでこの４８層の多層膜を構成している。さらに、この表１において、屈折率と、ミラ−１０の中心部分における膜厚（（４／λ）を１とした比で表してある。）を各膜について示してある。このときの特性グラフを図４に示す。尚、図４は、横軸に波長（ｎｍ）を取って示し、及び左縦軸に、反射率の２次の群速度分散（ｆｓ²）を取り、また、右縦軸に反射率（％）を取って示してある。また、図４中、実線＊は、反射率の２次の群速度分散（ｆｓ²）を示し、破線＃は、反射率（％）を示している。ここでは、薄膜の低屈折率材料にSiO₂を用い、高屈折材料にTa₂O₅を用いていた設計となっている。当然、この設計は、代表例であって、同種の材料を用いても別の膜設計があり得る。また、多層膜の総数も異なる場合もある。さらに、材料が異なれば、図２の特性を実現する膜設計の種類は、さらに多数となる。

さらに、図２で説明した特性とは逆の考え方もある。すなわち、図３は、図２における２次の分散の特性の逆の傾きをもった特性である。３次の群速度分散は正の値となる。図３に符号３２で示す、傾斜膜厚の中心付近での特性は、全体が短波長側へシフトするため、薄い部分における特性は、図３に符号３１で示したような特性になる。一方、中心付近にくらべ、図１に符号１８で示したように膜厚が厚くなった場合、厚い部分における特性は、図３に符号３２で示した特性は、特性全体が長波長側へシフトし、図３に符号３３で示した特性のようになる。

このような特性をもった誘電体多層膜であっても、図１のような膜厚を分布を持たすことができれば、機能的には上述と同じ結果が得られる。ただし、上述した図２の例では、膜厚が厚い側へ持っていくと２次の群速度分散はG_Dのほうへ低下したが、図３のような特性をもった多層膜ミラーを考えたときは、２次の群速度分散は、逆にG_Uのほうへ増加する。この時の具体的な設計を表１と同様な表２に示すと共に、特性グラフを、図４と同様な図５に示す。但し、表２の例では、積層数は３７層である。この設計も前述同様に、代表例であって、図３を実現するための設計は多数存在する。

次に、連続的に膜厚が変化する誘電体多層膜ミラーの製造方法について簡単に説明する。

従来、通常の誘電体多層膜ミラーにおいては、でき得る限り均一な同一基板平面内においては同一膜厚となるように、誘電体多層膜ミラーの製造時、蒸着原料の位置と蒸着される基板との距離や蒸発源に対する基板面の角度が調整される。しかしながら、この発明のミラ−を製作する場合には、これらの均一な膜厚製造の条件ではない別の条件を見い出す必要がある。

そこで、この発明のミラ−の製作に当たり、膜厚分布を連続的に変化するように作成する斜め蒸着の手法を適用する。この方法は、特開２００３−１３２０６号公報や特開平１１−３２６６３２号公報に開示されている既知の方法を用いれば、膜厚分布を容易に実現できる。この斜め蒸着の方法を用いて図２や図３に示したような特性をもった誘電体多層膜ミラーを蒸着していけば、自動的に場所による２次の群速度分散がことなるミラーをつくり出すことができる。例えば、多層膜の原料の蒸発物質の飛跡方向に対して、基板の、多層膜の蒸着面の法線方向が平行とならないように、基板を配置して蒸着するのがよい。また、多層膜の反射率を膜厚によらず９９．９％以上とするのがよい。

この発明の誘電体多層膜ミラーを用いれば、場所による２次の群速度分散の選択が可能となる。図６（Ａ）及び６（Ｂ）を参照して、基本的な使用方法を説明する。図６（Ａ）は、ミラ−の概略的側面図であり、図６（Ｂ）は、その平面図である。ミラ−６２の膜厚の薄い部分にレーザ光６５があたり反射したとする。レ−ザ光の当たる位置を図に符号６４で示す。そして、図２を参照して説明したような分散特性となるように、誘電体多層膜ミラーが作製されているならば、２次の群速度分散はG_Uとなる。この状態から矢印６１で示す方向へ、レーザ光とミラーの角度を保ったっまま、実線図示の移動前のミラ−位置からミラ−６２を点線図示の移動後の位置６６へと、平行移動することで、２次の群速度分散をG_UからG_Dへ連続的に変化させることができる。

また、図７（Ａ）及び７（Ｂ）を参照して、回転を用いた方法につき説明する。図７（Ａ）は、ミラ−の概略的側面図であり、図７（Ｂ）は、その平面図である。レ−ザ光７５の当たる位置を７４で示す。回転中心７８を中心にミラー７２のレーザ光７５に対する角度を保ったまま、実線図示の移動前のミラ−位置からミラ−７２を点線図示の回転後の位置７６へと、矢印７１で示す様な方向にミラー７２を45度回転させた（図７に符号７６で示す位置）。そうすると、図２を参照して説明した特性となる誘電体多層膜ミラーであれば、G_Uの値からG_UとG_Cの間の値へ２次の群速度分散は変化する。さらに45度回転し初期の状態から９０度回転したときは、２次の群速度分散はG_Cとなる。また、さらに回転し初期の状態から１８０度回転したときはG_Dとなる。このように回転によっても２次の群速度分散を連続的に調整することができる。

次に、図８（Ａ）及び８（Ｂ）を参照して、回転中心８８をミラーの角へ配置したときの例につき説明する。図８（Ａ）は、ミラ−の概略的側面図であり、図８（Ｂ）は、その平面図である。図２で説明したような設計を前提とし、レ−ザ光８５が当たる位置を８４とした。回転中心８８を中心として、実線図示の移動前のミラ−の位置からミラ−８２を点線図示の９０度回転させた後の位置８６へと、矢印８１で示すように９０度の方向へ回転したとき、２次の群速度分散は、G_UからG_Dへ連続的に変化することとなる。

以上は最も基本的な使用方法である。さらに具体的な装置への利用を考慮したとき、一般的なモード同期レーザの共振器内部においては、分散補償しなければならない量は、分散補償ミラーの１回の反射による補償量にくらべてかなり大きい。そのため通常の分散補償ミラーの使用方法として、分散補償ミラーを多数回反射することとなる。さらに、レーザ共振器全体を小さくするために、同じ１枚の分散補償ミラー上を多数回反射することとなる。その場合、この発明の誘電体多層膜ミラーの用い方としていく通りかのパターンがある。その一つを簡単に説明する。

図９（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、４回反射させて使用する場合の例につき説明する。図９（Ａ）は、ミラ−の概略的側面図であり、図９（Ｂ）は、その平面図である。多重回レーザ光９５のあたる位置を膜厚の薄い位置（図中、符号９４で示す位置）とする。図２で説明したような特性となるように誘電体多層膜ミラーが作製されているならば、２次の群速度分散はG_Uとなり、４回反射しているのでトータルで４G_Uとなる。この状態から矢印９１で示す方向へ、レーザ光とミラーの角度を保ったまま、実線図示の移動前のミラ−の位置からミラ−９２を点線図示の平行移動後の位置９６へと、平行移動することで、トータルの２次の群速度分散を４G_Uから４G_Dへ連続的に変化させることができる。この説明での反射回数は特別な意味はない。反射回数はレーザ共振器の内部の補償しなければならない２次の群速度分散と用いられる共振器内部での分散補償ミラーの枚数によって決定される。

多重回反射の場合も１回反射の場合と同様に、ミラー１０２の平行移動だけでなく回転移動においても調整することができる。図１０（Ａ），（Ｂ）及び（Ｃ）に４回反射したときの回転中心１０３と反射点列１０４との関係を示す。図１０（Ａ）は、ミラ−の概略的側面図であり、図１０（Ｂ）及び１０（Ｃ）は、その平面図である。図１０（Ｂ）は、図７で説明した、ミラーの中心を回転中心にした回転により多重回反射した場合の例に相当し、図１０（Ｃ）は、図８で説明した、ミラーのコーナーを回転中心にした回転により多重回反射した場合の例に相当する。図１０（Ｂ）の場合は、初期状態から１８０度回転したとき、４G_Uから４G_Dへ変化する。一方、図１０（C）の場合は、初期が２次の群速度分散が４G_Uであるが、９０度回転したとき、回転中心１０３から最も遠い反射点ではG_Dであるが中心回転に近付くに従ってG_Uへ変化していく。よって、９０度回転したときの２次の群速度分散は４G_Dより大きな値になる。

このように、例えば、フェムト秒モード同期チタンサファイアレーザの共振器内部において、内部のミラーのいずれか１枚あるいはそれ以上の枚数のミラーとして、この発明におけるミラーを用いる。それによって、共振器から出力される光パルスのパルス幅をより狭くすることが可能であり、また、パルス光のパルス内における周波数特性を容易に改善できる。より狭いパルス幅のレーザ光は、パルス光のピーク強度が同じであっても、パルス幅の広いレーザ光に比べれば、より低い平均エネルギーとなるため、２光子吸収顕微鏡等に用いれば、試料に対してダメージをより少なくすることができるようになる。

また、ミラー面において、補償しなければならない分散量が１回の反射のみで補償しきれないときは、数回にわたって反射する必要が生じてくる。そのときは、さらに高反射率のミラーが必要となってくる。

この発明の誘電体多層膜ミラ−の構成例を説明するための概略的断面図である。多層膜が傾斜膜厚を有する場合の、それぞれの場所における群速度分散の波長依存特性を説明する図である。図２の逆の群速度分散の波長依存特性を説明する図である。この発明の誘電体多層膜ミラ−の、表１に対応する一実施例の設計に従った特性を説明するための図である。この発明の誘電体多層膜ミラ−の、表２に対応する一実施例の設計に従った特性を説明するための図である。この発明のミラーの平行移動により２次の群速度分散を調整する場合の説明図であって、（Ａ）は概略的側面図、及び（Ｂ）は概略的平面図である。この発明のミラーを回転することで２次の群速度分散を調整する場合の説明図であって、（Ａ）は概略的側面図、及び（Ｂ）は概略的平面図である。この発明のミラーを回転することで２次の群速度分散を調整する場合の説明図であって、（Ａ）は概略的側面図、及び（Ｂ）は概略的平面図である。この発明のミラーを多重回反射して平行移動により調整する場合の説明図であって、（Ａ）は概略的側面図、及び（Ｂ）は概略的平面図である。この発明のミラーを多重回反射して回転により調整する場合の説明図であって、（Ａ)は概略的側面図、(Ｂ)はミラーの中心を回転中心にしたときの概略的平面図、及び（Ｃ）はミラーの角（コ−ナ−）を回転中心にしたときの概略的平面図である。

符号の説明

１０誘電体多層膜ミラ−
１１基板
１２誘電体多層膜
１３第１層の誘電体膜
１４第２層の誘電体膜
１５空気に接触する面の誘電体膜
１６膜厚の薄い部分に入射する光
１７中心付近に入射する光
１８膜厚の厚い部分に入射する光
２１、３１傾斜膜厚の薄い部分における分散特性
２２、３２傾斜膜厚の中心付近における分散特性
２３、３３傾斜膜厚の厚い部分における分散特性
６１、９１ミラーの移動方向
６２、７２、８２、９２、１０２この発明のミラー
６４、７４、８４、９４、１０４レーザ光の当たる位置
６５、７５、８５、９５レーザ光
６６移動後のミラー位置
７１、８１ミラーの回転方向
７６回転後のミラー位置
７８、８８、１０３回転中心
８６９０度回転後のミラー位置
９６平行移動後のミラー位置

Claims

低屈折率薄膜と、該低屈折率薄膜よりも屈折率が高い高屈折率薄膜が交互に積層されて構成された多層膜を基板上に具えており、該多層膜は、積層された面内方向の場所によって、群速度分散に異なる値を与える膜厚で構成されていることを特徴とする誘電体多層膜ミラ−。
前記多層膜は、場所によって連続的に変化する膜厚を有していることを特徴とする請求項１に記載の誘電体多層膜ミラ−。
前記多層膜は、場所によって異なっている膜厚を有しており、かつ、多層膜を構成する各膜の膜厚の比率は一定に保たれていることを特徴とする請求項１に記載の誘電体多層膜ミラ−。
前記多層膜は、場所によって異なっている膜厚を有しており、かつ、多層膜を構成する各膜の膜厚の比率は一定に保たれていることを特徴とする請求項２に記載の誘電体多層膜ミラ−。
光の波長の３次の群速度分散は、前記多層膜の膜厚範囲において正の特定の値であることを特徴とする請求項４に記載の誘電体多層膜ミラー。
光の波長の３次の群速度分散は、前記多層膜の膜厚範囲において負の特定の値であることを特徴とする請求項４に記載の誘電体多層膜ミラー。
光の波長に対して反射率が９９．９％以上であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の誘電体多層膜ミラー。
請求項１〜７のいずれか一項に記載された前記誘電体多層膜ミラーを有するミラーを、レーザ共振器内の光学部品として、具えていることを特徴とする固体レーザ共振器。