JP2015015337A - Mode-locked laser - Google Patents

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岩瀬 秀夫
Hideo Iwase
秀夫 岩瀬
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a mode-locked laser which is capable of generating high pulse energy by suppressing the increase in size of a device and increasing an optical path length of a resonator.SOLUTION: A resonator has a configuration in which a plurality of branch optical paths into which an optical path between mirrors is branched by a polarization beam splitter 1 allowing one of two polarized light beams different in polarization direction by 90° of laser light to pass therethrough and reflecting the other are provided and a gain medium 6 is provided in one branch optical path of the plurality of branch optical paths and a polarization rotation mechanism 5 in which a polarization direction of laser light is rotated by 90° when the laser light travels back and forth is provided in the other branch optical path. One polarized light beam which passes the polarization beam splitter 1 from the branch optical path in which the gain medium 6 is provided, and is propagated to the branch optical path in which the polarization rotation mechanism 5 is provided, to have the polarization direction equalized to the same polarization direction as that of the one polarized light beam by travelling back and forth twice in the polarization rotation mechanism 5 and then is made to pass the polarization beam splitter 1 and is propagated in the branch optical path in which the gain medium 6 is provided, to obtain a resonance state.

Description

本発明は、共振器内におけるパルスレーザ光をモード同期させ、短パルスレーザ光を発生させるモードロックレーザに関する。   The present invention relates to a mode-locked laser that generates a short pulse laser beam by mode-locking a pulse laser beam in a resonator.

モードロックレーザは、モードロッカーと呼ばれるパルスレーザ光に周期的に損失を与える変調機を用いて、波長の異なるレーザ光をモード同期することにより、ナノ秒以下のパルス幅を持つ短パルスレーザ光を発生させるレーザ装置である。
このように発生される短パルスレーザ光は、メガワットに達する高いピークパワー(=パルスエネルギー/パルス幅)をもつことから、非線形効果を利用した多様な医用計測装置に用いられている。
例えば、モードロックレーザを用いた医用計測装置には、誘導ラマン散乱、2光子吸収、体内で発生する2倍および3倍高調波による蛍光イメージング、Coherent Anti−Stokes Raman Scatteringなどがある。
これらの医用計測装置では、パルスレーザ光のピークパワーが高いほど非線形の効果が強く現れるため、パルスエネルギーの大きいモードロックレーザが好まれる。
パルスエネルギーの大きいモードロックレーザには、共振器が複数のミラーで構成された固体モードロックレーザがある。固体モードロックレーザは、複数のミラーで構成される共振器の内部に、利得を与える利得媒体とレーザ光に変調を与えるモードロッカーとを備える。
モードロッカーは、パルスレーザ光が共振器を一周する周期(ラウンドトリップ周期)と同期した変調機であればよく、電気光学素子(EO素子)、音響光学素子(AO素子)、または強度の高い光を選択的に透過する可飽和吸収体により構成される。
また、レーザ光が透過する際の利得媒体の屈折率変化(カーレンズ効果)をモードロッカーとして利用することもできる(カーレンズモード同期)。その場合、利得媒体はモードロッカーを兼ねる。
また、カーレンズモード同期の働きを強めるために、レーザ光の透過を制限するスリット等の機構を共振器に入れる場合もある。何れのモードロッカーを用いた場合も、モードロッカーは、ラウンドトリップ周期と同周期またはその整数倍の周期でレーザ光に損失を与える。
このようにモードロッカーにより変調されたパルスレーザ光は、パルスレーザを構成する光の位相が揃い、パルス幅が1ns以下の短パルスとなる(モード同期)。
固体モードロックレーザの利得媒体には、レーザ結晶およびレーザガラスを用いることができる。
医用計測装置に用いられる光源では、生体の光透過窓(波長700nm−900nm)に利得をもつチタンサファイア結晶、またはアレキサンドライト結晶を用いることが多い。
Mode-locked lasers use a modulator called a mode locker that periodically loses pulsed laser light, and mode-locks laser light of different wavelengths to generate short-pulse laser light with a pulse width of nanoseconds or less. This is a laser device to be generated.
The short pulse laser beam generated in this way has a high peak power (= pulse energy / pulse width) reaching megawatts, and is therefore used in various medical measuring devices using a non-linear effect.
For example, medical measurement apparatuses using a mode-locked laser include stimulated Raman scattering, two-photon absorption, fluorescence imaging using double and triple harmonics generated in the body, and Coherent Anti-Stokes Raman Scattering.
In these medical measurement devices, the higher the peak power of the pulsed laser light, the stronger the nonlinear effect appears. Therefore, a mode-locked laser with high pulse energy is preferred.
A mode-locked laser with a large pulse energy includes a solid-state mode-locked laser in which a resonator is composed of a plurality of mirrors. The solid-state mode-locked laser includes a gain medium that provides gain and a mode locker that modulates laser light inside a resonator composed of a plurality of mirrors.
The mode locker may be a modulator that is synchronized with the period (round trip period) in which the pulsed laser light makes a round circuit around the resonator, and is an electro-optic element (EO element), an acousto-optic element (AO element), or high intensity light. It is comprised by the saturable absorber which permeate | transmits selectively.
Further, the refractive index change (Kerr lens effect) of the gain medium when the laser beam is transmitted can be used as a mode locker (Kerr lens mode synchronization). In that case, the gain medium doubles as a mode locker.
In addition, a mechanism such as a slit for limiting the transmission of laser light may be included in the resonator in order to enhance the function of car lens mode synchronization. Regardless of which mode locker is used, the mode locker causes a loss to the laser light at the same period as the round trip period or a period that is an integer multiple thereof.
The pulse laser light modulated by the mode locker in this way is a short pulse with a pulse width of 1 ns or less with the phases of the light constituting the pulse laser aligned (mode synchronization).
Laser crystal and laser glass can be used as the gain medium of the solid mode-locked laser.
A light source used for a medical measurement apparatus often uses a titanium sapphire crystal or an alexandrite crystal having a gain in a light transmission window (wavelength 700 nm to 900 nm) of a living body.

固体モードロックレーザから出力されるパルスレーザ光のエネルギーをさらに高くする技術として、共振器の光路長を伸ばし、ラウンドトリップ周期を長くする方法が非特許文献1に記載されている。
図11は、非特許文献1に記載されたモードロックレーザの構成を表す模式図である。
図11のレーザ装置は、チタンサファイア結晶、励起光源、共振器を構成する高反射ミラー、パルスレーザ光の一部を出力として取り出す部分反射ミラー、および共振器の光路長を伸ばすための多重反射ミラー対により構成されている。
パルスレーザ光は、チタンサファイア結晶のカーレンズ効果によってモード同期する。
カーレンズモード同期による変調の周期は、共振器のラウンドトリップ周期と等しくなる。
よって、パルスレーザ光は、ラウンドトリップ周期Tの逆数と等しい繰り返し周波数f(=1/T)で出力される。
モードロックレーザのパルスエネルギーE(単位はジュール)は、レーザ装置の時間平均出力W(単位はワット)およびパルスレーザ光の繰り返し周波数f(単位はヘルツ)と以下の関係で結ばれる。

E=W/f …式(1)

繰り返し周波数fは、ラウンドトリップ周期Tの逆数であり、光速cを共振器の光路長Lで割ったものに等しい。

f=1/T=c/L …式(2)

すなわち、同じ時間平均出力Wをもつモードロックレーザであっても、共振器の光路長Lが長い場合、繰り返し周波数fが小さくなり、高いパルスエネルギーを発生させることが可能である。
非特許文献1では、多重反射ミラー対により共振器の光路長を伸ばすことによりラウンドトリップ周期Tを変化させ、パルスレーザ光の繰り返し周波数を3.8−15MHz範囲で制御している。
非特許文献1では、パルスレーザ光の繰り返し周波数が下がることにより、高いパルスエネルギーおよびパルスピークパワーが得られることが記されている。
Non-Patent Document 1 describes a method of increasing the optical path length of a resonator and increasing the round trip period as a technique for further increasing the energy of pulsed laser light output from a solid mode-locked laser.
FIG. 11 is a schematic diagram showing the configuration of the mode-locked laser described in Non-Patent Document 1.
The laser apparatus of FIG. 11 includes a titanium sapphire crystal, an excitation light source, a high reflection mirror constituting a resonator, a partial reflection mirror that extracts a part of pulsed laser light as an output, and a multiple reflection mirror for extending the optical path length of the resonator. It is composed of pairs.
The pulse laser beam is mode-locked by the Kerr lens effect of the titanium sapphire crystal.
The period of modulation by car lens mode synchronization is equal to the round trip period of the resonator.
Therefore, the pulse laser beam is output at a repetition frequency f (= 1 / T) equal to the reciprocal of the round trip period T.
The pulse energy E (unit: joule) of the mode-locked laser is connected to the time average output W (unit: watts) of the laser device and the repetition frequency f (unit: hertz) of the pulse laser beam in the following relationship.

E = W / f Equation (1)

The repetition frequency f is the reciprocal of the round trip period T and is equal to the speed of light c divided by the optical path length L of the resonator.

f = 1 / T = c / L (2)

That is, even in the mode-locked laser having the same time average output W, when the optical path length L of the resonator is long, the repetition frequency f becomes small and high pulse energy can be generated.
In Non-Patent Document 1, the round trip period T is changed by extending the optical path length of the resonator by a multiple reflection mirror pair, and the repetition frequency of the pulsed laser light is controlled in the range of 3.8-15 MHz.
Non-Patent Document 1 describes that high pulse energy and pulse peak power can be obtained by reducing the repetition frequency of pulsed laser light.

Cho 他,¨Low−repetition−rate high−peak−power Kerr−lens mode−locked Ti:Al2O3 laser with a multiple−pass cavity¨, Opt. Lett. Vol.24, pp.417−419 (1999)Cho et al., Low-repetition-rate high-peak-power Kerr-lens mode-locked Ti: Al2O3 laser with a multiple-pass cavity, Opt. Lett. Vol. 24, pp. 417-419 (1999)

しかしながら、上記従来例のものにおいては、つぎのような課題を有している。
すなわち、多重反射ミラー対を使用して光路長を伸ばす場合、レーザ装置内での多重反射ミラー対の占める面積が大きくなり、装置が大型となる。
例えば、光路長1メートルの共振器を用いた場合、パルスレーザ光の繰り返し周波数は約330MHzである。このレーザ装置のパルスエネルギーを10倍にしようとすると、光路長を約9メートル伸ばさなければならない。
5ミリメートルの間隔をおいてレーザ光が多重反射ミラーに入射すると仮定すると、多重反射ミラー対の占める面積は約45平方センチメートルとなる。
光路長を伸ばし、さらにパルスエネルギーを増すためには、より広い面積を占める多重反射ミラー対が必要となる。このように占有面積の大きな多重反射ミラー対は、レーザ装置を大型化し、医用現場での使用に際して不便なものとする。
However, the above conventional example has the following problems.
That is, when the optical path length is extended by using the multiple reflection mirror pair, the area occupied by the multiple reflection mirror pair in the laser device increases, and the apparatus becomes large.
For example, when a resonator with an optical path length of 1 meter is used, the repetition frequency of the pulsed laser light is about 330 MHz. In order to increase the pulse energy of this laser device by 10 times, the optical path length must be extended by about 9 meters.
Assuming that the laser light is incident on the multiple reflection mirror at an interval of 5 millimeters, the area occupied by the multiple reflection mirror pair is about 45 square centimeters.
In order to increase the optical path length and further increase the pulse energy, a multiple reflection mirror pair occupying a larger area is required. Such a pair of multiple reflection mirrors with a large occupation area makes the laser device large and inconvenient for use in a medical field.

本発明は、上記課題に鑑み、装置の大型化を抑制して共振器の光路長を伸ばし、高いパルスエネルギーを発生させることが可能となるモードロックレーザの提供を目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a mode-locked laser capable of suppressing the enlargement of the device, extending the optical path length of the resonator, and generating high pulse energy.

本発明のモードロックレーザは、複数のミラーで構成される共振器を備え、前記共振器内に配置された利得媒体を励起光源によって励起し、前記励起された該共振器内における
パルスレーザ光をモード同期させ、短パルスレーザ光を発生させるモードロックレーザであって、
前記共振器は、前記パルスレーザ光における偏光方向が90°異なる2つの偏光光の一方の偏光光を通過させ他方を反射させる偏光ビームスプリッタによって、前記複数のミラーによるミラー間の光路が複数に分岐された分岐光路を備え、 前記複数の分岐光路のうちの1つの分岐光路には前記利得媒体が配置され、他の1つの分岐光路には前記パルスレーザ光を往復させると該パルスレーザ光の偏光方向が90°回転する偏光回転機構が配置された構成を有し、
前記利得媒体が配置された分岐光路から前記偏光ビームスプリッタを通過し、前記偏光回転機構が配置された分岐光路に伝搬された前記一方の偏光光を、
前記偏光回転機構を2度往復させ前記一方の偏光光と同じ偏光方向として、前記偏光ビームスプリッタを最初に通過させた方向とは反対方向に通過させ、
前記利得媒体が配置された分岐光路を伝搬させて共振状態とするように構成されていることを特徴とする。
また、本発明の医療用計測装置は、医療計測用の光源に上記したモードロックレーザを備えていることを特徴とする。
また、本発明のアブレーション加工装置は、アブレーション加工用の光源に上記したモードロックレーザを備えていることを特徴とする。
The mode-locked laser according to the present invention includes a resonator composed of a plurality of mirrors, pumps a gain medium arranged in the resonator with a pumping light source, and emits a pulsed laser beam in the pumped resonator. A mode-locked laser that is mode-locked and generates a short pulse laser beam,
The resonator has a polarization beam splitter that passes one polarized light of two polarized lights different in polarization direction in the pulsed laser light by 90 ° and reflects the other, and the optical path between the mirrors by the plurality of mirrors is branched into a plurality of The gain medium is disposed in one of the plurality of branch optical paths, and the pulse laser light is polarized when the pulse laser light is reciprocated in the other branch optical path. It has a configuration in which a polarization rotation mechanism whose direction rotates by 90 ° is arranged,
The one polarized light that has passed through the polarization beam splitter from the branch optical path in which the gain medium is disposed and is propagated to the branch optical path in which the polarization rotation mechanism is disposed,
The polarization rotation mechanism is reciprocated twice, so that the polarization direction is the same as that of the one polarized light, and the polarization beam splitter is passed in a direction opposite to the first direction,
The branching optical path in which the gain medium is disposed is propagated to be in a resonance state.
The medical measurement device of the present invention is characterized in that the above-described mode-locked laser is included in a light source for medical measurement.
The ablation processing apparatus of the present invention is characterized in that the above-described mode-locked laser is provided in the light source for ablation processing.

本発明によれば、装置の大型化を抑制して共振器の光路長を伸ばし、高いパルスエネルギーを発生させることが可能となるモードロックレーザを実現することができる。   According to the present invention, it is possible to realize a mode-locked laser that can suppress the increase in size of the device, extend the optical path length of the resonator, and generate high pulse energy.

本発明の実施形態1におけるモードロックレーザの構成例を説明する図であり、(a)は実施形態1および実施形態7のレーザ装置の構成を表す模式図、(b)は比較例となる従来のレーザ装置の構成を表す模式図。It is a figure explaining the structural example of the mode lock laser in Embodiment 1 of this invention, (a) is a schematic diagram showing the structure of the laser apparatus of Embodiment 1 and Embodiment 7, (b) is the conventional example used as a comparative example. The schematic diagram showing the structure of the laser apparatus. 本発明の実施形態1におけるモードロックレーザのパルスレーザ光の共振状態と偏光状態とを説明するための模式図。The schematic diagram for demonstrating the resonance state and polarization state of the pulse laser beam of the mode-locked laser in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態2におけるモードロックレーザの構成例を説明する図であり、(a)は本実施形態のレーザ装置の構成を表す模式図、(b)は比較例となる従来のレーザ装置の構成を表す模式図。It is a figure explaining the structural example of the mode-locked laser in Embodiment 2 of this invention, (a) is a schematic diagram showing the structure of the laser apparatus of this embodiment, (b) is the conventional laser apparatus used as a comparative example. The schematic diagram showing a structure. 本発明の実施形態3におけるモードロックレーザの構成例を説明する模式図。The schematic diagram explaining the structural example of the mode-locked laser in Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施形態4におけるモードロックレーザの構成例を説明する模式図。The schematic diagram explaining the structural example of the mode-locked laser in Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施形態4における1/4波長板の機能を説明するための模式図であり、(a)は複屈折結晶の屈折楕円を示す図、(b)はパルスレーザ光を構成する光のスペクトル強度を示す図、(c)は複屈折結晶板とそれに入射するパルスレーザ光を構成する波長の異なる光を示す図。It is a schematic diagram for demonstrating the function of the quarter wavelength plate in Embodiment 4 of this invention, (a) is a figure which shows the refraction ellipse of a birefringent crystal, (b) is the light of the light which comprises pulsed laser light The figure which shows spectrum intensity, (c) is a figure which shows the light from which the wavelength which comprises the birefringent crystal plate and the pulsed laser beam which injects into it differs. 本発明の実施形態5におけるモードロックレーザの構成例を説明する図であり、(a)は本実施形態のレーザ装置の構成を表す模式図、(b)はパルスレーザ光を構成する光のスペクトル強度を示す図、(c)はウェッジ角が付いた複屈折結晶板とそれに入射するパルスレーザ光を構成する波長の異なる光を示す図。It is a figure explaining the structural example of the mode-locked laser in Embodiment 5 of this invention, (a) is a schematic diagram showing the structure of the laser apparatus of this embodiment, (b) is the spectrum of the light which comprises pulsed laser light The figure which shows intensity | strength, (c) is a figure which shows the light from which the wavelength which comprises the birefringent crystal plate with a wedge angle | corner, and the pulse laser beam which injects into it differs. 本発明の実施形態6におけるモードロックレーザの構成例を説明する模式図。FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a configuration example of a mode-locked laser according to a sixth embodiment of the present invention. 本発明の実施形態6の構成例を示す図であり、(a)はパルスレーザ光を構成する光のスペクトル強度を示す図、(b)はウェッジ板とそれに入射するパルスレーザ光を構成する波長の異なる光を示す図、(c)は屈折楕円体を示す図、(d)は屈折楕円を示す図。It is a figure which shows the structural example of Embodiment 6 of this invention, (a) is a figure which shows the spectral intensity of the light which comprises a pulse laser beam, (b) is a wavelength which comprises the wedge board and the pulse laser beam which injects into it The figure which shows the light from which (1) differs, (c) is a figure which shows a refractive ellipsoid, (d) is a figure which shows a refractive ellipse. 本発明の実施形態7の構成例を示す図であり、(a)は本実施形態のレーザ装置で偏光回転機構として用いられる光学素子を示す図、(b)は光学素子を透過するパルスレーザ光の位相差と、パルスレーザ光を構成する光のスペクトル強度を示す図。It is a figure which shows the structural example of Embodiment 7 of this invention, (a) is a figure which shows the optical element used as a polarization rotation mechanism with the laser apparatus of this embodiment, (b) is a pulse laser beam which permeate | transmits an optical element. FIG. 5 is a diagram showing the phase difference of the light and the spectral intensity of the light constituting the pulse laser beam. 従来例のレーザ装置の構成を説明する模式図。The schematic diagram explaining the structure of the laser apparatus of a prior art example.

本発明のモードロックレーザは、装置を大型化することなく共振器の光路長を伸ばし、高いパルスエネルギーを発生させるため、つぎのような着想に基づいて見出されたものである。
すなわち、本実施形態のモードロックレーザは、複数のミラーで構成される共振器を備え、該共振器内に配置された利得媒体を励起光源によって励起し、該励起された該共振器内におけるパルスレーザ光をモード同期させ、短パルスレーザ光を発生させるように構成されている。
このモードロックレーザの前記共振器は、前記パルスレーザ光における偏光方向が90°異なる2つの偏光光の一方の偏光光を通過させ他方を反射させる偏光ビームスプリッタによって、前記複数のミラーによるミラー間の光路が複数に分岐された分岐光路を備える。また、前記複数の分岐光路のうちの1つの分岐光路には前記利得媒体が配置され、他の1つの分岐光路には前記パルスレーザ光を往復させる(2度通過させる)と該パルスレーザ光の偏光方向が90°回転する偏光回転機構が配置されている。
そして、前記利得媒体が配置された分岐光路から前記偏光ビームスプリッタを通過し、前記偏光回転機構が配置された分岐光路に伝搬された前記一方の偏光光を、
前記偏光回転機構を2度往復させ前記一方の偏光光と同じ偏光方向として、前記偏光ビームスプリッタを最初に通過させた方向とは反対方向に通過させ、前記利得媒体が配置された分岐光路を伝搬させて共振状態とするように構成されている。
具体的には、前記ミラー間の前記利得媒体が配置された分岐光路における一方のミラー側から前記偏光ビームスプリッタを通過し、前記偏光回転機構が配置された分岐光路に伝搬した前記一方の偏光光を、前記ミラー間の偏光回転機構が配置された分岐光路における他方のミラーを介し該偏光回転機構を往復させ前記一方の偏光光と90°異なる偏光方向とする。
そして、再度、前記他方のミラーを介し該偏光回転機構を往復させ前記一方の偏光光と同じ偏光方向として、前記偏光ビームスプリッタを最初に通過した方向とは反対方向の前記一方のミラー側に通過させ、前記利得媒体が配置された分岐光路を伝搬させて共振状態とするように構成される。
The mode-locked laser of the present invention has been found based on the following idea in order to extend the optical path length of the resonator and generate high pulse energy without increasing the size of the device.
That is, the mode-locked laser according to the present embodiment includes a resonator composed of a plurality of mirrors, and a gain medium disposed in the resonator is excited by an excitation light source, and pulses in the excited resonator are excited. The laser beam is mode-locked to generate a short pulse laser beam.
The resonator of the mode-locked laser includes a polarization beam splitter that transmits one polarized light of two polarized lights different in polarization direction by 90 ° in the pulsed laser light and reflects the other, and between the mirrors by the plurality of mirrors. The optical path is provided with a branched optical path that is branched into a plurality of parts. Further, the gain medium is arranged in one of the plurality of branch optical paths, and when the pulse laser beam reciprocates (passes twice) in the other branch optical path, A polarization rotation mechanism that rotates the polarization direction by 90 ° is disposed.
Then, the one polarized light that has passed through the polarization beam splitter from the branch optical path in which the gain medium is disposed and is propagated to the branch optical path in which the polarization rotation mechanism is disposed,
The polarization rotation mechanism is reciprocated twice, and the polarization direction is the same as that of the one of the polarized light beams. The polarization beam splitter passes the polarization beam splitter in the opposite direction, and propagates through the branched optical path on which the gain medium is arranged. The resonance state is established.
Specifically, the one polarized light that has passed through the polarization beam splitter from one mirror side in the branch optical path in which the gain medium is disposed between the mirrors and has propagated to the branch optical path in which the polarization rotation mechanism is disposed. Is made to reciprocate through the other mirror in the branched optical path in which the polarization rotation mechanism between the mirrors is arranged to have a polarization direction different from that of the one polarization light by 90 °.
Then, the polarization rotation mechanism is moved back and forth again through the other mirror, and the same polarization direction as that of the one polarized light is passed to the one mirror side in the direction opposite to the direction that first passed through the polarization beam splitter. And is configured to propagate through the branch optical path in which the gain medium is disposed to be in a resonance state.

以上の構成によれば、パルスレーザ光を異なる偏光状態で同じ光路を2回通過させることにより、装置を大型化することなく共振器の光路長を伸ばすことができ、高いパルスエネルギーを発生させることが可能となる。
また、上記した本発明のモードロックレーザは、医療計測用の光源に適用することにより、好適な医療用計測装置を構成することができる。
また、それ以外にも、アブレーション加工用の光源に適用することにより、好適なアブレーション加工装置を構成することができる。
以下に、本発明の実施形態におけるモードロックレーザの構成例について、図を用いて更に具体的に説明する。
[実施形態1]
本発明の実施形態1におけるモードロックレーザの構成例について、図1を用いて説明する。
本実施形態におけるモードロックレーザは、図1(a)に示すように、
共振器が、パルスレーザ光を分岐する偏光ビームスプリッタPBS1と、分岐されたパルスレーザ光を反射する2枚の高反射ミラー2と、1枚の部分反射ミラー3と、1枚の折り返しミラー4で構成されている。
以下、説明のために、PBS1と高反射ミラー2およびPBS1と部分反射ミラー3との間の光路を分岐光路と呼ぶ。
また、説明のために、折り返しミラー4を含む高反射ミラー2とPBS1との間の分岐光
路を分岐光路1、それに平行となる分岐光路を分岐光路2、直角となる分岐光路を分岐光路3と呼ぶ。
分岐光路1または分岐光路2からPBSへ入射するP偏光のパルスレーザ光(電場が紙面に対して平行)は、PBSで反射されることなく透過し、分岐光路2または分岐光路1へと伝搬する。
According to the above configuration, by allowing the pulse laser beam to pass through the same optical path twice in different polarization states, the optical path length of the resonator can be extended without increasing the size of the device, and high pulse energy can be generated. Is possible.
Moreover, the above-described mode-locked laser according to the present invention can be applied to a light source for medical measurement to constitute a suitable medical measurement device.
In addition, a suitable ablation processing apparatus can be configured by applying to a light source for ablation processing.
Hereinafter, a configuration example of the mode-locked laser according to the embodiment of the present invention will be described more specifically with reference to the drawings.
[Embodiment 1]
A configuration example of the mode-locked laser according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 1A, the mode-locked laser in the present embodiment is
The resonator includes a polarization beam splitter PBS1 that branches the pulse laser beam, two high-reflection mirrors 2 that reflect the branched pulse laser beam, one partial reflection mirror 3, and one folding mirror 4. It is configured.
Hereinafter, for the sake of explanation, the optical path between the PBS 1 and the high reflection mirror 2 and between the PBS 1 and the partial reflection mirror 3 is referred to as a branched optical path.
For the sake of explanation, the branch optical path between the high reflection mirror 2 including the folding mirror 4 and the PBS 1 is the branch optical path 1, the branch optical path parallel to the branch optical path 2 is the branch optical path 2, and the branch optical path perpendicular to the branch optical path 3 is the branch optical path 3. Call.
P-polarized pulsed laser light (the electric field is parallel to the paper surface) incident on the PBS from the branching optical path 1 or the branching optical path 2 is transmitted without being reflected by the PBS and propagates to the branching optical path 2 or the branching optical path 1. .

一方、分岐光路2または分岐光路3からPBSへ入射するS偏光のパルスレーザ光(電場が紙面に対して直角)は、PBSにより反射され、分岐光路3または分岐光路2へと伝搬する。
すなわち、P偏光のパルス光は分岐光路1と2との間を伝搬し、S偏光のパルスレーザ光は分岐光路2と3との間を伝搬する。
分岐光路2には偏光方向を回転させる偏光回転機構5として1/4波長板が挿入されている。
この1/4波長板は、パルスレーザ光を構成する光に対して、パルスレーザ光が2度通過する毎にその偏光方向をほぼ90°回転させる。
利得媒体6はチタンサファイア結晶であり、分岐光路1上に、光軸とその光学面とがブリュースタ角を成すように挿入されている。
ブリュースタ角で挿入されたチタンサファイア結晶は、P偏光のレーザ光に対して光学面での反射がほぼゼロとなる。
よって、本実施形態では、分岐光路1での偏光状態がP偏光となるようにパルスレーザ光が発振状態となる。チタンサファイア結晶は、共振器外部に置かれた波長532nmの励起光源7と集光レンズ8とによって励起されている。本実施形態では、チタンサファイア結晶のカーレンズ効果によって、パルスレーザ光のモード同期がなされている。
On the other hand, S-polarized pulsed laser light (the electric field is perpendicular to the paper surface) incident on the PBS from the branch optical path 2 or the branch optical path 3 is reflected by the PBS and propagates to the branch optical path 3 or the branch optical path 2.
That is, the P-polarized pulse light propagates between the branched optical paths 1 and 2, and the S-polarized pulse laser light propagates between the branched optical paths 2 and 3.
A quarter-wave plate is inserted in the branch optical path 2 as a polarization rotation mechanism 5 that rotates the polarization direction.
This quarter-wave plate rotates the polarization direction by approximately 90 ° every time the pulse laser beam passes twice with respect to the light constituting the pulse laser beam.
The gain medium 6 is a titanium sapphire crystal, and is inserted on the branch optical path 1 so that the optical axis and its optical surface form a Brewster angle.
The titanium sapphire crystal inserted at the Brewster angle has almost zero reflection on the optical surface with respect to the P-polarized laser light.
Therefore, in this embodiment, the pulsed laser light is in an oscillation state so that the polarization state in the branch optical path 1 is P-polarized light. The titanium sapphire crystal is excited by an excitation light source 7 having a wavelength of 532 nm and a condenser lens 8 placed outside the resonator. In the present embodiment, the mode synchronization of the pulse laser beam is performed by the Kerr lens effect of the titanium sapphire crystal.

図2に、本実施形態におけるパルスレーザ光の共振状態と偏光状態とを説明するための模式図を示す。
図中、黒矢印は光路上を伝搬するパルスレーザ光を表しており、その方向はパルスレーザ光の伝搬方向を示している。
また、方向Pおよび方向Sは、P偏光およびS偏光状態での電場の向きを示している。
以下、パルスレーザ光の共振器内での共振を、図2の(A)−(E)を用いて説明する。(A):分岐光路1を伝搬するP偏光のパルスレーザがPBSに入射する。P偏光であるためPBSを透過し、分岐光路2へと伝搬する。
(B):1/4波長板を2度通過したパルスレーザ光は偏光状態がS偏光となる。S偏光のパルスレーザ光はPBSにより反射され、分岐光路3へと伝搬する。
(C):部分反射ミラーにより反射されて戻ってきたパルスレーザ光は、S偏光状態のままPBSに入射し、分岐光路2へと伝搬する。部分反射ミラーを透過したレーザビーム光は出力となる。
(D):1/4波長を2度通過したパルスレーザ光は、その偏光状態がS偏光からP偏光へ変わる。P偏光状態となったパルスレーザ光は、PBSを透過し、分岐光路1へと伝搬する。
(E):チタンサファイア結晶を透過し、部分ミラーにより反射されたパルスレーザ光は、チタンサファイア結晶を再度透過したあと、(A)で示される状態へと戻る。
パルスレーザ光は上記の(A)―(E)で示した状態を経て共振器内で共振する。
よって、分岐光路1−3の長さをそれぞれL1、L2およびL3と表すとき、共振器の光路長は、(L1+2×L2+L3)×2≒(L1+L2×2)×2と表される。
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the resonance state and the polarization state of the pulse laser beam in the present embodiment.
In the figure, the black arrow represents the pulse laser beam propagating on the optical path, and the direction thereof indicates the propagation direction of the pulse laser beam.
Further, the direction P and the direction S indicate the directions of the electric field in the P-polarized and S-polarized states.
Hereinafter, the resonance of the pulse laser beam in the resonator will be described with reference to FIGS. (A): A P-polarized pulse laser propagating through the branch optical path 1 enters the PBS. Since it is P-polarized light, it passes through the PBS and propagates to the branch optical path 2.
(B): The pulse laser beam that has passed through the quarter-wave plate twice has a polarization state of S-polarized light. The S-polarized pulse laser light is reflected by the PBS and propagates to the branch optical path 3.
(C): The pulse laser beam reflected and returned by the partial reflection mirror is incident on the PBS in the S-polarized state and propagates to the branch optical path 2. The laser beam light that has passed through the partial reflection mirror is output.
(D): The pulsed laser light that has passed through the quarter wavelength twice changes its polarization state from S-polarized light to P-polarized light. The pulsed laser light in the P-polarized state passes through the PBS and propagates to the branch optical path 1.
(E): The pulse laser beam transmitted through the titanium sapphire crystal and reflected by the partial mirror passes through the titanium sapphire crystal again, and then returns to the state shown in (A).
The pulse laser beam resonates in the resonator through the states shown in the above (A) to (E).
Therefore, when the lengths of the branched optical paths 1-3 are expressed as L1, L2, and L3, respectively, the optical path length of the resonator is expressed as (L1 + 2 × L2 + L3) × 2≈ (L1 + L2 × 2) × 2.

図1(b)に、比較例として示した従来例のレーザ装置の構成を示す。
従来の構成では、共振器内にPBSと偏光回転機構が挿入されておらず、S偏光のパルスレーザ光が伝搬する分岐光路3もない。
図1(b)で示した従来例のレーザ装置の光路長は(L1+L2)×2となる。
図1(b)の従来のレーザ装置の構成と比較すると、本実施形態のモードロックレーザの光路長はおおよそ2×L2だけ長い。
FIG. 1B shows a configuration of a conventional laser device shown as a comparative example.
In the conventional configuration, the PBS and the polarization rotation mechanism are not inserted in the resonator, and there is no branch optical path 3 through which the S-polarized pulse laser light propagates.
The optical path length of the conventional laser device shown in FIG. 1B is (L1 + L2) × 2.
Compared to the configuration of the conventional laser device of FIG. 1B, the optical path length of the mode-locked laser of this embodiment is approximately 2 × L2.

[実施形態2]
本発明の実施形態2におけるモードロックレーザの構成例について、図3を用いて説明する。
本実施形態におけるモードロックレーザは、偏光ビームスプリッタと偏光回転機構との間の分岐光路に、パルスレーザ光を複数回反射させる多重反射ミラー対が挿入されている。それ以外の構成は実施形態1と基本的に同じである。
本実施形態では、図3(a)に示すように、実施形態1と同様に、偏光ビームスプリッタによって光路は分岐光路1−3に分割されている。
高反射ミラー、部分反射ミラー、折り返しミラー、チタンサファイア結晶、励起光源、および集光レンズのレーザ装置内での配置は実施形態1に準ずる。
実施形態2の構成では、分岐光路2の内部に光路長を伸ばすための多重反射ミラー対9が挿入されている。
本実施形態では、多重反射ミラー対を通過する際の光路長は、他の部分の光路長よりも十分に長いと見なせる。よって、多重反射ミラー対を1回通過するときの光路長をLと表すと、共振器の光路長波はおおよそL×4と表すことができる。
[Embodiment 2]
A configuration example of the mode-locked laser according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIG.
In the mode-locked laser according to the present embodiment, a pair of multiple reflection mirrors that reflect the pulse laser beam a plurality of times is inserted in the branch optical path between the polarization beam splitter and the polarization rotation mechanism. The other configuration is basically the same as that of the first embodiment.
In the present embodiment, as shown in FIG. 3A, the optical path is divided into the branched optical paths 1-3 by the polarization beam splitter, as in the first embodiment.
The arrangement of the high reflection mirror, the partial reflection mirror, the folding mirror, the titanium sapphire crystal, the excitation light source, and the condenser lens in the laser device is the same as that in the first embodiment.
In the configuration of the second embodiment, a multiple reflection mirror pair 9 for extending the optical path length is inserted into the branched optical path 2.
In the present embodiment, the optical path length when passing through the multiple reflection mirror pair can be considered to be sufficiently longer than the optical path lengths of other portions. Therefore, if the optical path length when passing through the multiple reflection mirror pair once is represented by L, the optical path length wave of the resonator can be represented by approximately L × 4.

図3(b)は、比較例として示した従来例のレーザ装置の構成である。
従来例の構成では、PBSおよび偏光回転機構が挿入されておらず、S偏光のパルスレーザ光が伝搬する分岐光路3もない。
図3(b)で示したレーザ装置の光路長はおおよそL×2と表される。
図3(b)の従来のレーザ装置の構成と比較すると、本実施形態のモードロックレーザの光路長はおおよそ2倍長い。
FIG. 3B shows a configuration of a conventional laser apparatus shown as a comparative example.
In the configuration of the conventional example, the PBS and the polarization rotation mechanism are not inserted, and there is no branch optical path 3 through which the S-polarized pulse laser light propagates.
The optical path length of the laser device shown in FIG. 3B is approximately represented by L × 2.
Compared with the configuration of the conventional laser device of FIG. 3B, the optical path length of the mode-locked laser of this embodiment is approximately twice as long.

[実施形態3]
本発明の実施形態3におけるモードロックレーザの構成例について、図4を用いて説明する。
本実施形態におけるモードロックレーザは、偏光回転機構が配置された分岐光路は、2個以上の光ビームスプリッタで分岐されたそれぞれの分岐光路に偏光回転機構が配置された構成を備えている。
そして、上記偏光ビームスプリッタと上記偏光回転機構との間のそれぞれの分岐光路に、パルスレーザ光を複数回反射させる多重反射ミラー対が挿入されている。それ以外の構成は実施形態1と基本的に同じである。
具体的には、図4に示すように、2個のPBS12およびPBS13によって光路が分岐されている。図4に示す分岐された光路を分岐光路1−5と呼ぶ。
2個のPBSで挟まれた分岐光路1には、利得媒体6としてチタンサファイア結晶が挿入されている。
チタンサファイア結晶の光学面と光軸とはブリュースタ角θBを成しており、実施形態1のときと同様に、分岐光路1をP偏光で伝搬するパルスレーザ光が発振状態となる。
分岐光路2と分岐光路4には共通の多重反射ミラー対9が挿入されている。
また、分岐光路2と分岐光路4とには、それぞれ1/4波長板が偏光回転機構5として挿入されている。
[Embodiment 3]
A configuration example of the mode-locked laser according to Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIG.
The mode-locked laser according to the present embodiment has a configuration in which the polarization rotation mechanism is arranged in each of the branched optical paths branched by two or more light beam splitters.
A multi-reflection mirror pair for reflecting the pulse laser beam a plurality of times is inserted in each branch optical path between the polarization beam splitter and the polarization rotation mechanism. The other configuration is basically the same as that of the first embodiment.
Specifically, as shown in FIG. 4, the optical path is branched by two PBSs 12 and 13. The branched optical path shown in FIG. 4 is referred to as a branched optical path 1-5.
A titanium sapphire crystal is inserted as a gain medium 6 in the branched optical path 1 sandwiched between two PBSs.
The optical surface of the titanium sapphire crystal and the optical axis form a Brewster angle θB, and the pulsed laser light propagating in the P-polarized light in the branch optical path 1 enters the oscillation state as in the first embodiment.
A common multiple reflection mirror pair 9 is inserted into the branch optical path 2 and the branch optical path 4.
A quarter-wave plate is inserted as a polarization rotation mechanism 5 in each of the branch optical path 2 and the branch optical path 4.

以下、パルスレーザ光の共振器内での共振状態と偏光状態とを説明する。
(A):分岐光路1を伝搬するP偏光のパルスレーザがPBS12に入射する。P偏光であるためPBSを透過し、分岐光路2へと伝搬する。
(B):1/4波長板を2度通過したパルスレーザ光は偏光状態がS偏光となる。S偏光のパルスレーザ光はPBSにより反射され、分岐光路3へと伝搬する。この際、多重反射
ミラー対9を2度通過する。
(C):部分反射ミラー3により反射されて戻ってきたパルスレーザ光は、S偏光状態のままPBS12に入射し、反射されて分岐光路2へと伝搬する。その際、部分反射ミラー3を透過したレーザビーム光は出力となる。
(D):1/4波長板を2度通過したパルスレーザ光は、その偏光状態がS偏光からP偏光へ変わる。P偏光状態となったパルスレーザ光は、PBSを透過し、分岐光路1へと伝搬する。この際、多重反射ミラー9を2度通過する。
(E):チタンサファイア結晶を透過し、分岐光路1を伝搬するP偏光のパルスレーザがPBS13に入射する。P偏光であるためPBSを透過し、分岐光路4へと伝搬する。
(F):1/4波長板を2度通過したパルスレーザ光は偏光状態がS偏光となる。S偏光のパルスレーザ光はPBSにより反射され、分岐光路5へと伝搬する。この際、多重反射ミラー対9を2度通過する。
(G):反射ミラーにより反射されて戻ってきたパルスレーザ光は、S偏光状態のままPBS13に入射し、反射されて分岐光路4へと伝搬する。
(H):1/4波長板を2度通過したパルスレーザ光は、その偏光状態がS偏光からP偏光へ変わる。P偏光状態となったパルスレーザ光は、PBSを透過し、分岐光路1へと伝搬する。
この際、多重反射ミラー対9を2度通過する。分岐光路1へと伝搬したパルスレーザ光はチタンサファイア結晶を透過し、(A)の状態へと戻る。
Hereinafter, the resonance state and polarization state of the pulsed laser light in the resonator will be described.
(A): A P-polarized pulse laser propagating through the branch optical path 1 enters the PBS 12. Since it is P-polarized light, it passes through the PBS and propagates to the branch optical path 2.
(B): The pulse laser beam that has passed through the quarter-wave plate twice has a polarization state of S-polarized light. The S-polarized pulse laser light is reflected by the PBS and propagates to the branch optical path 3. At this time, it passes through the multiple reflection mirror pair 9 twice.
(C): The pulse laser beam reflected and returned by the partial reflection mirror 3 is incident on the PBS 12 in the S-polarized state, reflected and propagated to the branch optical path 2. At that time, the laser beam transmitted through the partial reflection mirror 3 becomes an output.
(D): The pulsed laser light that has passed through the quarter-wave plate twice changes its polarization state from S-polarized light to P-polarized light. The pulsed laser light in the P-polarized state passes through the PBS and propagates to the branch optical path 1. At this time, the light passes through the multiple reflection mirror 9 twice.
(E): A P-polarized pulse laser that passes through the titanium sapphire crystal and propagates through the branch optical path 1 enters the PBS 13. Since it is P-polarized light, it passes through the PBS and propagates to the branch optical path 4.
(F): The pulse laser beam that has passed through the quarter-wave plate twice has a polarization state of S-polarized light. The S-polarized pulsed laser light is reflected by the PBS and propagates to the branch optical path 5. At this time, it passes through the multiple reflection mirror pair 9 twice.
(G): The pulse laser beam reflected and returned by the reflecting mirror is incident on the PBS 13 in the S-polarized state, reflected and propagated to the branch optical path 4.
(H): The pulsed laser light that has passed through the quarter-wave plate twice changes its polarization state from S-polarized light to P-polarized light. The pulsed laser light in the P-polarized state passes through the PBS and propagates to the branch optical path 1.
At this time, it passes through the multiple reflection mirror pair 9 twice. The pulse laser beam propagating to the branch optical path 1 passes through the titanium sapphire crystal and returns to the state (A).

本実施形態では、多重反射ミラー対9を通過する際の光路長は、他の部分の光路長よりも十分に長いと見なせる。
よって、多重反射ミラー対を1回通過するときの光路長をLと表すと、共振器の光路長波はL×8と表される。
図3(b)の従来のレーザ装置の構成と比較すると、本実施形態のモードロックレーザの光路長はおおよそ4倍長い。
In the present embodiment, the optical path length when passing through the multiple reflection mirror pair 9 can be considered to be sufficiently longer than the optical path lengths of other portions.
Therefore, if the optical path length when passing through the multiple reflection mirror pair once is represented by L, the optical path length wave of the resonator is represented by L × 8.
Compared with the configuration of the conventional laser device of FIG. 3B, the optical path length of the mode-locked laser of this embodiment is approximately four times longer.

[実施形態4]
本発明の実施形態4におけるモードロックレーザの構成例について、図5を用いて説明する。
本実施形態におけるモードロックレーザは、偏光回転機構が、複屈折結晶板とこの複屈折結晶板を挟むように設置された回折格子対とで構成されている。それ以外の構成は実施形態1と基本的に同じである。
具体的には、図5に示すように、実施形態1と同様に光路がPBS1により分岐光路1−3に分岐されており、利得媒体6としてチタンサファイア結晶が分岐光路1に挿入されている。
チタンサファイア結晶の光学面と光軸とはブリュースタ角を成しており、分岐光路1においてP偏光となるビーム光が発振状態となる。
P偏光のレーザ光はPBS1を介して分岐光路1と分岐光路2との間を伝搬し、S偏光のレーザ光はPBS1を介して光分岐光路2と分岐光路3との間を伝搬する。
分岐光路2には複屈折結晶板52とそれを挟む回折格子対51が偏光回転機構として挿入されている。
パルスレーザ光は異なる波長の光で構成されているため、PBSから回折格子に入射するレーザ光は、波長ごとに異なる角度で回折されて、波長に依存した入射角度で複屈折結晶板52へと入射する。
[Embodiment 4]
A configuration example of the mode-locked laser according to Embodiment 4 of the present invention will be described with reference to FIG.
The mode-locked laser according to the present embodiment is composed of a birefringent crystal plate and a diffraction grating pair installed so as to sandwich the birefringent crystal plate. The other configuration is basically the same as that of the first embodiment.
Specifically, as shown in FIG. 5, the optical path is branched to the branched optical path 1-3 by the PBS 1 as in the first embodiment, and a titanium sapphire crystal is inserted into the branched optical path 1 as the gain medium 6.
The optical surface of the titanium sapphire crystal and the optical axis form a Brewster angle, and the beam light that becomes P-polarized light enters the oscillation state in the branch optical path 1.
P-polarized laser light propagates between the branched optical path 1 and the branched optical path 2 via the PBS 1, and S-polarized laser light propagates between the optical branched optical path 2 and the branched optical path 3 via the PBS 1.
A birefringent crystal plate 52 and a diffraction grating pair 51 sandwiching the birefringent crystal plate 52 are inserted in the branch optical path 2 as a polarization rotation mechanism.
Since the pulsed laser light is composed of light of different wavelengths, the laser light incident on the diffraction grating from the PBS is diffracted at different angles for each wavelength, and enters the birefringent crystal plate 52 at an incident angle depending on the wavelength. Incident.

図6は、本実施形態における1/4波長板の機能を説明するための模式図である。
図6(a)に示す楕円の短軸および長軸は、複屈折結晶板52を構成する複屈折結晶の屈折楕円体の断面を表している(以下、屈折楕円と呼ぶ)。
図中、レーザ光は紙面に対してほぼ直角に入射し、P偏光の電場は紙面横向き(軸X方向
)、S偏光の電場は紙面上向き(軸Y方向)となる。
屈折楕円の長軸および短軸は、軸Xと軸Yとの二等分線上に位置する。この長軸および短軸の方向を軸Aおよび軸Bとする。
S偏光およびP偏光のレーザ光がこの複屈折結晶を透過するとき、楕円の軸Aと軸Bとに分割された電場の成分は、楕円の長軸と短軸で表現される異なる屈折率n1およびn2を感受する。
よって、複屈折結晶板52の厚さdと透過する光の波長λとが、次の式(3)の関係を満たすとき、波長板を2度通過したパルスレーザ光に対し、軸Aおよび軸Bに平行となる電場成分の位相が180°回転し、偏光の向きが90°回転する。

(n1−n2)×d=λ/4 …式(3)

これは、波長λをもつ光がこの複屈折結晶板を2度透過すると、偏光方向がP偏光とS偏光との間で切り替わることを意味する。
FIG. 6 is a schematic diagram for explaining the function of the quarter-wave plate in the present embodiment.
The short axis and long axis of the ellipse shown in FIG. 6A represent the cross section of the refractive ellipsoid of the birefringent crystal constituting the birefringent crystal plate 52 (hereinafter referred to as a refractive ellipse).
In the figure, the laser light is incident at a substantially right angle with respect to the paper surface, the electric field of P-polarized light is lateral to the paper surface (axis X direction), and the electric field of S-polarized light is upward (paper Y direction).
The major and minor axes of the refractive ellipse are located on the bisector of the axis X and the axis Y. The major axis and minor axis directions are referred to as axis A and axis B, respectively.
When S-polarized light and P-polarized laser light are transmitted through the birefringent crystal, the electric field component divided into the axis A and the axis B of the ellipse has different refractive indexes n1 expressed by the major axis and the minor axis of the ellipse. And n2.
Therefore, when the thickness d of the birefringent crystal plate 52 and the wavelength λ of the transmitted light satisfy the relationship of the following equation (3), the axis A and the axis A with respect to the pulsed laser light that has passed through the wavelength plate twice. The phase of the electric field component parallel to B is rotated by 180 °, and the direction of polarization is rotated by 90 °.

(N1−n2) × d = λ / 4 Formula (3)

This means that when the light having the wavelength λ passes through the birefringent crystal plate twice, the polarization direction is switched between P-polarized light and S-polarized light.

図6(b)は、パルスレーザ光を構成する光のスペクトル強度である。
このように、パルスレーザ光は、異なる波長の光を含んでいる。
よって、波長ごとに1/4波長板として最適となる複屈折結晶の厚さdは異なる。例えば、短パルスが波長λ0を中心に、λ1とλ2(λ1<λ2)の光を含む場合、最適となる厚さdは、d1とd2(d1<d2)である。
図6(c)に示す通り、本実施形態によれば、パルスレーザ光を構成する光は、波長に依存した角度で複屈折結晶板52に入射するため、波長ごとにその透過距離d1とd2とを変えることができる。
よって、波長ごとに最適となる厚さとなるように複屈折結晶板52の角度を調整すれば、波長に対して位相の回転角を補償することができる。本実施形態では、パルスレーザ光を形成する光の波長帯域は795−805nmである。
よって、この波長帯域の光に対して偏光回転機構5が1/4波長板として機能するためには、795nmと805nmの光の分離角がθ=cosー1(795/805)=9°であればよい。回折格子の回折角βは、光の入射角をα、単位長さ当たりの格子数をN、回折の次数をnとすると、次の式(4)のように表すことができる。

sinα±sinβ=nNλ …式(4)

N=2300本/mmの回折格子にα=60°の角度でレーザ光を入射すると、上記の分離角をほぼ得ることができる。
FIG. 6B shows the spectral intensity of the light constituting the pulse laser beam.
Thus, the pulsed laser light includes light of different wavelengths.
Therefore, the thickness d of the birefringent crystal that is optimal as a quarter-wave plate differs for each wavelength. For example, when the short pulse includes light of λ1 and λ2 (λ1 <λ2) centering on the wavelength λ0, the optimum thickness d is d1 and d2 (d1 <d2).
As shown in FIG. 6 (c), according to the present embodiment, the light constituting the pulsed laser light is incident on the birefringent crystal plate 52 at an angle depending on the wavelength. Therefore, the transmission distances d1 and d2 for each wavelength. And can be changed.
Therefore, if the angle of the birefringent crystal plate 52 is adjusted so as to have an optimum thickness for each wavelength, the phase rotation angle can be compensated for the wavelength. In the present embodiment, the wavelength band of the light that forms the pulsed laser light is 795-805 nm.
Therefore, in order for the polarization rotation mechanism 5 to function as a quarter-wave plate for light in this wavelength band, the separation angle of 795 nm and 805 nm light is θ = cos−1 (795/805) = 9 °. I just need it. The diffraction angle β of the diffraction grating can be expressed as the following equation (4), where α is the incident angle of light, N is the number of gratings per unit length, and n is the order of diffraction.

sin α ± sin β = nNλ (4)

When laser light is incident on a diffraction grating of N = 2300 lines / mm at an angle of α = 60 °, the above-mentioned separation angle can be almost obtained.

[実施形態5]
本発明の実施形態5におけるモードロックレーザの構成例について、図7を用いて説明する。
本実施形態におけるモードロックレーザは、前記偏光回転機構は、回折格子対と、複屈折結晶からなるウェッジ板と、を備え、
前記回折格子対は、ウェッジ板よりも前記偏光ビームスプリッタに近い位置に設けられている。それ以外の構成は実施形態1と基本的に同じである。
具体的には、図7(a)に示すように、実施形態1と同様に光路がPBS1により分岐光路1−3に分岐されている。
P偏光のレーザ光はPBS1を介して分岐光路1と分岐光路2との間を伝搬し、S偏光のレーザ光はPBS1を介して光分岐光路2と分岐光路3との間を伝搬する。
分岐光路1には利得媒体6としてチタンサファイア結晶が挿入されている。
チタンサファイア結晶の光学面と光軸とはブリュースタ角を成しており、分岐光路1においてP偏光となるビーム光が発振状態となる。
発振したパルスレーザ光は図7(b)で表されるスペクトル強度をもつ。
分岐光路2には回折格子対51が挿入されている。この回折格子対51を透過した光は波長ごとに分離し、回折格子対51とミラー2との間で空間的に波長が分布する平行光となる。この平行光には、ウェッジ角がついた複屈折結晶板53が挿入されている。
図7(c)は、ウェッジ角ψがついた複屈折結晶板53とそれに入射する異なる波長λ1およびλ2の光を表している。
[Embodiment 5]
A configuration example of the mode-locked laser according to Embodiment 5 of the present invention will be described with reference to FIG.
In the mode-locked laser according to the present embodiment, the polarization rotation mechanism includes a diffraction grating pair and a wedge plate made of a birefringent crystal,
The diffraction grating pair is provided closer to the polarizing beam splitter than the wedge plate. The other configuration is basically the same as that of the first embodiment.
Specifically, as shown in FIG. 7A, the optical path is branched to the branched optical path 1-3 by the PBS 1 as in the first embodiment.
P-polarized laser light propagates between the branched optical path 1 and the branched optical path 2 via the PBS 1, and S-polarized laser light propagates between the optical branched optical path 2 and the branched optical path 3 via the PBS 1.
A titanium sapphire crystal is inserted as a gain medium 6 in the branch optical path 1.
The optical surface of the titanium sapphire crystal and the optical axis form a Brewster angle, and the beam light that becomes P-polarized light enters the oscillation state in the branch optical path 1.
The oscillated pulse laser beam has the spectral intensity shown in FIG.
A diffraction grating pair 51 is inserted in the branch optical path 2. The light transmitted through the diffraction grating pair 51 is separated for each wavelength, and becomes parallel light in which the wavelength is spatially distributed between the diffraction grating pair 51 and the mirror 2. A birefringent crystal plate 53 with a wedge angle is inserted into the parallel light.
FIG. 7C shows a birefringent crystal plate 53 with a wedge angle ψ and light of different wavelengths λ1 and λ2 incident thereon.

本実施形態によれば、回折格子51により波長ごとに異なる角度で回折されたレーザ光は、ウェッジ角ψが付けられた複屈折結晶板53の異なる場所を透過する。
よって、波長の分離距離Dとウェッジ角ψとを調整することにより、波長λ1およびλ2の光に対して、式(3)を満たす条件を見出すことができる。
本実施形態では、パルスレーザ光を構成する光の波長帯域は790−810nmであり、複屈折結晶板として水晶板を用いている。
このとき、790nmと810nmとで約1.1μmの水晶板の厚さの差が必要である。波長790nmと810nmの分離距離Dが5mmであるとき、必要とされるウェッジ角ψは約0.013°である。
According to this embodiment, the laser light diffracted by the diffraction grating 51 at different angles for each wavelength is transmitted through different locations of the birefringent crystal plate 53 with the wedge angle ψ.
Therefore, by adjusting the wavelength separation distance D and the wedge angle ψ, it is possible to find a condition satisfying the expression (3) for the light of the wavelengths λ1 and λ2.
In this embodiment, the wavelength band of the light constituting the pulse laser beam is 790 to 810 nm, and a quartz plate is used as the birefringent crystal plate.
At this time, a difference in thickness of the quartz plate of about 1.1 μm is required between 790 nm and 810 nm. When the separation distance D between the wavelengths 790 nm and 810 nm is 5 mm, the required wedge angle ψ is about 0.013 °.

[実施形態6]
本発明の実施形態6におけるモードロックレーザの構成例について、図8を用いて説明する。
本実施形態におけるモードロックレーザは、前記偏光回転機構が、回折格子対と、1/4波長板と複屈折結晶からなるウェッジ板と、を備え、
前記偏光ビームスプリッタに近い側から、前記回折格子対、前記1/4波長板、前記複屈折結晶からなるウェッジ板、の順に配置されている。それ以外の構成は実施形態1と基本的に同じである。
具体的には、図8に示すように、実施形態1と同様に光路がPBS1により分岐光路1−3に分岐されている。
P偏光のレーザ光はPBS1を介して分岐光路1と分岐光路2との間を伝搬し、S偏光のレーザ光はPBS1を介して光分岐光路2と分岐光路3との間を伝搬する。
分岐光路1にはチタンサファイア結晶が挿入されている。
チタンサファイアの光学面と光軸とはブリュースタ角を成しており、分岐光路1においてP偏光となるビーム光が発振状態となる。発振したパルスレーザ光は図9(a)で表されるスペクトル強度をもつ。
分岐光路2には回折格子対51が挿入されている。この回折格子対を透過した光は波長によって分離し、回折格子対51とミラー2との間で空間的に波長が分布する平行光となる。
この平行光には、波長板54と複屈折結晶からなるウェッジ板55とが挿入されている。これら、回折格子51、波長板54およびウェッジ板55は、偏光回転機構5として機能する。
[Embodiment 6]
A configuration example of the mode-locked laser according to Embodiment 6 of the present invention will be described with reference to FIG.
In the mode-locked laser according to the present embodiment, the polarization rotation mechanism includes a diffraction grating pair, a quarter-wave plate, and a wedge plate made of a birefringent crystal,
From the side close to the polarizing beam splitter, the diffraction grating pair, the quarter-wave plate, and the wedge plate made of the birefringent crystal are arranged in this order. The other configuration is basically the same as that of the first embodiment.
Specifically, as shown in FIG. 8, the optical path is branched to the branched optical path 1-3 by the PBS 1 as in the first embodiment.
P-polarized laser light propagates between the branched optical path 1 and the branched optical path 2 via the PBS 1, and S-polarized laser light propagates between the optical branched optical path 2 and the branched optical path 3 via the PBS 1.
A titanium sapphire crystal is inserted in the branch optical path 1.
The optical surface of the titanium sapphire and the optical axis form a Brewster angle, and the beam light that becomes P-polarized light in the branch optical path 1 enters an oscillation state. The oscillated pulse laser beam has the spectral intensity shown in FIG.
A diffraction grating pair 51 is inserted in the branch optical path 2. The light transmitted through the diffraction grating pair is separated by the wavelength, and becomes parallel light in which the wavelength is spatially distributed between the diffraction grating pair 51 and the mirror 2.
A wave plate 54 and a wedge plate 55 made of a birefringent crystal are inserted in the parallel light. These diffraction grating 51, wave plate 54 and wedge plate 55 function as the polarization rotation mechanism 5.

図9(b)はウェッジ板および入射する波長λ1とλ2の光をあらわしている。
図9(c)は、ウェッジ板に用いられる複屈折結晶の屈折楕円体を表している。図中、矢印Kは結晶中のレーザ光の伝搬方向をおおよそ示している。結晶主軸Pはウェッジ板の片方の光学面と垂直を成す。
図9(d)は、図9(c)で示した屈折楕円体をレーザ光の伝搬方向Kに垂直な面で切断したときの断面(屈折楕円)である。
図9(b)および図9(d)において、軸Xおよび軸YはそれぞれS偏光およびP偏光の電場の向きとほぼ一致している。
また、軸Aと軸Bとは、軸Xと軸Yとの二等分線である。図9の実線は伝搬方向Kと主軸Pとが平行となる場合の屈折楕円、また破線は伝搬方向Kが軸Aの方向に傾いている場合
の屈折楕円である。
このとき、楕円の長軸および短軸は軸Aおよび軸Bと平行となる。
長軸および短軸の長さがそれに平行となる電場が感受する屈折率を表す。伝搬方向Kと結晶の主軸Pが一致する場合、屈折楕円は円形(破線)となり、屈折率は偏光に依存しない。
FIG. 9B shows a wedge plate and incident light of wavelengths λ1 and λ2.
FIG. 9C shows a refractive ellipsoid of a birefringent crystal used for the wedge plate. In the figure, an arrow K roughly indicates the propagation direction of the laser light in the crystal. The crystal main axis P is perpendicular to one optical surface of the wedge plate.
FIG. 9D is a cross section (refractive ellipse) when the refractive ellipsoid shown in FIG. 9C is cut along a plane perpendicular to the propagation direction K of the laser beam.
9B and 9D, the axis X and the axis Y substantially coincide with the directions of the electric fields of S-polarized light and P-polarized light, respectively.
An axis A and an axis B are bisectors of the axis X and the axis Y. The solid line in FIG. 9 is a refraction ellipse when the propagation direction K and the main axis P are parallel, and the broken line is a refraction ellipse when the propagation direction K is inclined in the direction of the axis A.
At this time, the major axis and the minor axis of the ellipse are parallel to the axis A and the axis B.
The major axis and minor axis represent the refractive index perceived by the electric field parallel to it. When the propagation direction K coincides with the principal axis P of the crystal, the refractive ellipse is circular (broken line), and the refractive index does not depend on the polarization.

しかし、複屈折結晶板が軸A方向に傾いている場合、軸A方向と軸B方向との屈折率には差n1’−n2’が生じる。この屈折率の差n1’−n2’は、複屈折結晶板の傾きが増すと増加する。
複屈折結晶板はウェッジ形状であるため、波長λ1およびλ2の光が通過する距離d1およびd2は異なっている。
よって、前記波長板54が屈折率n1とn2とを持つ厚さdの複屈折結晶で構成されている場合、次の式(5)、式(6)が成り立てば、前記波長板54と複屈折結晶からなるウェッジ板55とは、波長に対して補償された1/4波長板として機能する。

(n1−n2)×d+(n1’−n2’)×d1=λ1/4 …式(5)
(n1−n2)×d+(n1’−n2’)×d2=λ2/4 …式(6)

上記式(5)および式(6)の条件は、ウェッジ板の厚さとウェッジ角ψ、およびウェッジ板に入射する波長λ1とλ2との分離距離Dとを調整することにより、満たすことができる。
However, when the birefringent crystal plate is tilted in the axis A direction, a difference n1′−n2 ′ is generated in the refractive index between the axis A direction and the axis B direction. This refractive index difference n1′−n2 ′ increases as the inclination of the birefringent crystal plate increases.
Since the birefringent crystal plate has a wedge shape, the distances d1 and d2 through which light of wavelengths λ1 and λ2 passes are different.
Therefore, when the wavelength plate 54 is made of a birefringent crystal having a thickness d having refractive indexes n1 and n2, the following equations (5) and (6) are satisfied. The wedge plate 55 made of a refractive crystal functions as a quarter wavelength plate compensated for the wavelength.

(N1−n2) × d + (n1′−n2 ′) × d1 = λ1 / 4 (5)
(N1−n2) × d + (n1′−n2 ′) × d2 = λ2 / 4 Formula (6)

The conditions of the above equations (5) and (6) can be satisfied by adjusting the thickness of the wedge plate and the wedge angle ψ, and the separation distance D between the wavelengths λ1 and λ2 incident on the wedge plate.

[実施形態7]
本発明の実施形態7における構成例について、図10を用いて説明する。
図10には、本実施形態の偏光回転機構として使用する光学素子が示されている。
本実施形態の偏光回転機構は、パルスレーザ光を構成する光の波長よりも短い周期を有する周期構造体層を複数積層した光学素子で構成されている。それ以外の構成は実施形態1と基本的に同じである。
具体的には、実施形態1と同様に光路がPBSにより分岐光路1−3に分岐されており、P偏光のレーザ光はPBSを介して分岐光路1と分岐光路2との間を伝搬し、S偏光のレーザ光はPBSを介して光分岐光路2と分岐光路3との間を伝搬する。
分岐光路1にはチタンサファイア結晶が挿入されている。チタンサファイア結晶の光学面と光軸とはブリュースタ角を成しており、分岐光路1においてP偏光となるレーザ光が発振状態となる。
分岐光路2に挿入される偏光回転機構は、短パルスレーザ光の波長よりも短い周期構造を有する光学素子である。本実施形態で用いられる光学素子は、基板と複数の周期構造体層とにより構成されている。
図10(a)はその形態を表す模式図である。
図10(b)は、パルスレーザ光が図10(a)に示した光学素子を透過したとき、軸Aおよび軸B方向の電場が感受する位相差φA−φBである。
また、図10(b)には、パルスレーザ光のスペクトル強度もプロットされている。本実施形態の複数の周期構造体層の積層により構成される光学素子は、パルスレーザ光のスペクトル帯域よりも広い波長帯域でほぼ正確にπ/2の位相差を与る。すなわち、パルスレーザ光に含まれる波長の光に対して、ほぼ正確に1/4波長板として機能する。
よって、周期構造体層の積層により構成される波長板を用いることにより、パルスレーザ光を構成する異なる波長の光に対して、偏光状態をP偏光とS偏光との間でほぼ正確に変換することができる。
[Embodiment 7]
A configuration example according to the seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 10 shows an optical element used as the polarization rotation mechanism of this embodiment.
The polarization rotation mechanism of the present embodiment is composed of an optical element in which a plurality of periodic structure layers having a period shorter than the wavelength of light constituting the pulse laser beam are stacked. The other configuration is basically the same as that of the first embodiment.
Specifically, as in the first embodiment, the optical path is branched to the branched optical path 1-3 by the PBS, and the P-polarized laser light propagates between the branched optical path 1 and the branched optical path 2 through the PBS, The S-polarized laser light propagates between the optical branch optical path 2 and the optical path 3 via the PBS.
A titanium sapphire crystal is inserted in the branch optical path 1. The optical surface of the titanium sapphire crystal and the optical axis form a Brewster angle, and the laser beam that becomes P-polarized light in the branch optical path 1 enters an oscillation state.
The polarization rotation mechanism inserted into the branch optical path 2 is an optical element having a periodic structure shorter than the wavelength of the short pulse laser beam. The optical element used in this embodiment includes a substrate and a plurality of periodic structure layers.
FIG. 10A is a schematic diagram showing the form.
FIG. 10B shows the phase difference φA−φB sensed by the electric fields in the directions of the axis A and the axis B when the pulse laser beam is transmitted through the optical element shown in FIG.
In FIG. 10B, the spectral intensity of the pulsed laser beam is also plotted. The optical element configured by stacking the plurality of periodic structure layers of the present embodiment gives a phase difference of π / 2 almost accurately in a wavelength band wider than the spectral band of the pulsed laser beam. That is, it functions as a quarter-wave plate almost accurately with respect to light having a wavelength included in the pulsed laser light.
Therefore, by using a wave plate formed by laminating periodic structure layers, the polarization state is converted almost accurately between P-polarized light and S-polarized light for light of different wavelengths constituting the pulse laser beam. be able to.

以上、上記実施形態では、波長板およびウェッジ板が1枚の複屈折結晶板で構成される場合について説明したが、波長板は複数の複屈折結晶板で構成されてもよい。
その場合、式(3)の左辺は、複数の複屈折結晶板に対する和で表される。
例えば、屈折率(n1、n2)をもつ長さdの複屈折結晶板と、屈折率(n1”、n2”)をもつ長さL2の複屈折結晶板とで波長板が構成されている場合、波長板がほぼ1/4波長板として機能するためには、次式が満たされればよい。

(n1−n2)×2×d+(n1”−n2”)×2×d”=λ/4

上記実施形態の波長板の代わりに、このような複数の複屈折結晶板により構成される波長板を用いても、本発明の効果を得ることができる。
As mentioned above, although the said embodiment demonstrated the case where a waveplate and a wedge board were comprised with one birefringent crystal plate, a waveplate may be comprised with several birefringent crystal plates.
In that case, the left side of Equation (3) is expressed as the sum of a plurality of birefringent crystal plates.
For example, when a wavelength plate is composed of a birefringent crystal plate having a refractive index (n1, n2) and having a length d and a birefringent crystal plate having a refractive index (n1 ″, n2 ″) and having a length L2. In order for the wave plate to function as a ¼ wave plate, the following equation should be satisfied.

(N1−n2) × 2 × d + (n1 ″ −n2 ″) × 2 × d ″ = λ / 4

The effect of the present invention can also be obtained by using a wave plate composed of a plurality of such birefringent crystal plates instead of the wave plate of the above embodiment.

また、上記実施形態で用いられる励起光源は、小型のレーザダイオード光源であることが望ましい。
レーザダイオード光源を励起光源として用いる場合、レーザ装置で共振器が占める領域が殆どとなるため、共振器の大きさを抑制できる本発明の効果はより顕著なものとなる。
例えば、チタンサファイア結晶を利得媒体として用いる場合、GaN化合物半導体およびその他の半導体をベースとした発振波長400−600nmの半導体レーザダイオードを用いることが望ましい。また、アレキサンドライト結晶を利得媒体として用いる場合には、GaN化合物半導体、GaAs化合物半導体およびその他の半導体をベースとした発振波長350−680nmの半導体レーザダイオードを用いることが望ましい。
The excitation light source used in the above embodiment is desirably a small laser diode light source.
When a laser diode light source is used as an excitation light source, the area occupied by the resonator in the laser device is almost the same, so the effect of the present invention that can suppress the size of the resonator becomes more remarkable.
For example, when a titanium sapphire crystal is used as the gain medium, it is desirable to use a semiconductor laser diode having an oscillation wavelength of 400 to 600 nm based on a GaN compound semiconductor and other semiconductors. In addition, when an alexandrite crystal is used as a gain medium, it is desirable to use a semiconductor laser diode having an oscillation wavelength of 350 to 680 nm based on a GaN compound semiconductor, a GaAs compound semiconductor, and other semiconductors.

以上に説明した構成によれば、パルスレーザ光は、PBSで分岐された光路をS偏光とP偏光との偏光状態で2度通過して共振状態となる。
よって、レーザ装置のなかで共振器が占める面積を増すことなく、光路長を伸ばすことができる。光路長がq倍となる場合、そのパルスエネルギーもほぼq倍となる。
よって、従来例と比較して、実施形態1の構成ではパルスエネルギーは約(L2×2+L1)/(L2+L1)倍、実施形態2の構成では約2倍、実施形態3の構成では約4倍となる。
According to the configuration described above, the pulsed laser light passes through the optical path branched by the PBS twice in the polarization state of S-polarized light and P-polarized light and enters a resonance state.
Therefore, the optical path length can be extended without increasing the area occupied by the resonator in the laser device. When the optical path length is q times, the pulse energy is also almost q times.
Therefore, compared with the conventional example, the pulse energy is about (L2 × 2 + L1) / (L2 + L1) times in the configuration of the first embodiment, about twice in the configuration of the second embodiment, and about four times in the configuration of the third embodiment. Become.

実施形態1−3の構成に実施形態4−6で説明した偏光回転機構を用いることにより、パルスレーザ光に含まれる波長の異なる光に対して、p偏光とs偏光とをほぼ正確に切り替えることが可能となる。
p偏光とs偏光との切り替えの精度を上げることにより、偏光に依存して伝搬方向を切り替えるPBSでの損失がさがり、広い波長変化範囲に亘って、より高いパルスエネルギーを得ることができる。
例えば、レーザ装置がチタンサファイ結晶またはアレキサンドライト結晶を利得媒体としてもちいたモードロックパルスレーザであり、パルスレーザ光が中心波長800nm、パルス幅が100フェムト秒以上の場合、パルスレーザ光を構成する光のスペクトル幅を10nm以下とすることができる。
このとき、上記実施形態4−7で説明した何れかの構成を用いて、パルスレーザ光を構成する光の偏光方向を90°回転させることができる。
また、パルス幅が100フェムト秒以下のパルスレーザ光、または発振波長の切り替えが可能なレーザ装置の場合、偏光回転機構を通過する光の波長は10nmの波長幅よりも広くなる。
この場合、上記実施形態5−7で説明した何れかの構成を用いることにより、偏光回転機構を通過する光の偏光方向を90°回転させることができる。
By using the polarization rotation mechanism described in the embodiment 4-6 in the configuration of the embodiment 1-3, the p-polarized light and the s-polarized light can be switched almost accurately with respect to light having different wavelengths included in the pulse laser beam. Is possible.
By increasing the accuracy of switching between p-polarized light and s-polarized light, the loss in the PBS that switches the propagation direction depending on the polarization is reduced, and higher pulse energy can be obtained over a wide wavelength change range.
For example, when the laser device is a mode-locked pulse laser using a titanium sapphire crystal or alexandrite crystal as a gain medium, and the pulse laser beam has a center wavelength of 800 nm and a pulse width of 100 femtoseconds or more, the light constituting the pulse laser beam The spectral width can be 10 nm or less.
At this time, the polarization direction of the light constituting the pulse laser beam can be rotated by 90 ° using any of the configurations described in Embodiment 4-7.
In the case of a pulse laser beam having a pulse width of 100 femtoseconds or less, or a laser device capable of switching the oscillation wavelength, the wavelength of the light passing through the polarization rotation mechanism is wider than the wavelength width of 10 nm.
In this case, the polarization direction of the light passing through the polarization rotation mechanism can be rotated by 90 ° by using any of the configurations described in Embodiment 5-7.

1:偏光ビームスプリッタ(PBS)
2:高反射ミラー
3:部分反射ミラー
4:折り返しミラー
5:偏光回転機構
6:利得媒体
7:励起光源
8:集光レンズ
1: Polarized beam splitter (PBS)
2: High reflection mirror 3: Partial reflection mirror 4: Folding mirror 5: Polarization rotation mechanism 6: Gain medium 7: Excitation light source 8: Condensing lens

Claims (12)

複数のミラーで構成される共振器を備え、前記共振器内に配置された利得媒体を励起光源によって励起し、前記励起された該共振器内におけるレーザ光をモード同期させるモードロックレーザであって、
前記共振器は、前記レーザ光における偏光方向が互いに90°異なる2つの偏光光の一方の偏光光を通過させ他方を反射させる偏光ビームスプリッタによって、前記複数のミラー間の光路が複数に分岐された分岐光路を備え、
前記複数の分岐光路のうちの1つの分岐光路には前記利得媒体が配置され、他の1つの分岐光路には前記レーザ光を往復させると該レーザ光の偏光方向が90°回転する偏光回転機構が配置された構成を有し、
前記利得媒体が配置された分岐光路から前記偏光ビームスプリッタを通過し、前記偏光回転機構が配置された分岐光路に伝搬された前記一方の偏光光を、
前記偏光回転機構を2度往復させ前記一方の偏光光と同じ偏光方向とした後に前記偏光ビームスプリッタを通過させ、前記利得媒体が配置された分岐光路を伝搬させて共振状態にすることを特徴とするモードロックレーザ。
A mode-locked laser comprising a resonator composed of a plurality of mirrors, pumping a gain medium disposed in the resonator with a pumping light source, and mode-locking laser light in the pumped resonator ,
In the resonator, an optical path between the plurality of mirrors is branched into a plurality of beams by a polarization beam splitter that transmits one polarized light of two polarized lights whose polarization directions are different from each other by 90 ° and reflects the other. With a branching optical path,
A polarization rotation mechanism in which the gain medium is disposed in one of the plurality of branch optical paths, and the polarization direction of the laser light is rotated by 90 ° when the laser light is reciprocated in the other branch optical path. Has a configuration in which
The one polarized light that has passed through the polarization beam splitter from the branch optical path in which the gain medium is disposed and is propagated to the branch optical path in which the polarization rotation mechanism is disposed,
The polarization rotating mechanism is reciprocated twice to set the same polarization direction as that of the one polarized light, and then passes through the polarization beam splitter, and propagates through a branched optical path in which the gain medium is arranged to be in a resonance state. A mode-locked laser.
前記偏光ビームスプリッタと前記偏光回転機構と間の分岐光路に、前記レーザ光を複数回反射させる多重反射ミラー対が挿入されていることを特徴とする請求項1に記載のモードロックレーザ。   2. The mode-locked laser according to claim 1, wherein a pair of multiple reflection mirrors that reflect the laser beam a plurality of times are inserted in a branched optical path between the polarization beam splitter and the polarization rotation mechanism. 前記偏光回転機構が配置された分岐光路は、2個以上の光ビームスプリッタで分岐されたそれぞれの分岐光路に偏光回転機構が配置された構成を備え、
前記偏光ビームスプリッタと前記偏光回転機構との間のそれぞれの分岐光路に、前記レーザ光を複数回反射させる多重反射ミラー対が挿入されていることを特徴とする請求項1に記載のモードロックレーザ。
The branch optical path in which the polarization rotation mechanism is arranged has a configuration in which a polarization rotation mechanism is arranged in each branch optical path branched by two or more light beam splitters,
2. The mode-locked laser according to claim 1, wherein a pair of multiple reflection mirrors that reflect the laser beam a plurality of times are inserted in respective branch optical paths between the polarization beam splitter and the polarization rotation mechanism. .
前記偏光回転機構は、複屈折結晶板と前記複屈折結晶板を挟むように設置された回折格子対とで構成されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のモードロックレーザ。   The said polarization rotation mechanism is comprised by the diffraction grating pair installed so that the birefringent crystal plate and the said birefringent crystal plate may be pinched | interposed, The Claim 1 thru | or 3 characterized by the above-mentioned. Mode-locked laser. 前記偏光回転機構は、回折格子対と、複屈折結晶からなるウェッジ板と、を備え、
前記回折格子対は、ウェッジ板よりも前記偏光ビームスプリッタに近い位置に設けられていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のモードロックレーザ。
The polarization rotation mechanism includes a diffraction grating pair and a wedge plate made of a birefringent crystal,
4. The mode-locked laser according to claim 1, wherein the diffraction grating pair is provided at a position closer to the polarization beam splitter than a wedge plate. 5.
前記偏光回転機構は、回折格子対と、1/4波長板と複屈折結晶からなるウェッジ板と、を備え、
前記偏光ビームスプリッタに近い側から、前記回折格子対、前記1/4波長板、前記複屈折結晶からなるウェッジ板、の順に配置されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のモードロックレーザ。
The polarization rotation mechanism includes a diffraction grating pair, a quarter wave plate and a wedge plate made of a birefringent crystal,
4. The diffraction grating pair, the quarter wavelength plate, and a wedge plate made of the birefringent crystal are arranged in this order from the side close to the polarizing beam splitter. The mode-locked laser according to item.
前記偏光回転機構は、レーザ光を構成する光の波長よりも短い周期を有する周期構造体層を複数積層した光学素子で構成されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のモードロックレーザ。   4. The polarization rotation mechanism is configured by an optical element in which a plurality of periodic structure layers having a period shorter than the wavelength of light constituting laser light are stacked. A mode-locked laser described in 1. 前記偏光回転機構が、1/4波長板として機能する構成を備えていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載のモードロックレーザ。   The mode-locked laser according to any one of claims 1 to 7, wherein the polarization rotation mechanism has a configuration that functions as a quarter-wave plate. 前記利得媒体が、チタンサファイア結晶で構成されていることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載のモードロックレーザ。   9. The mode-locked laser according to claim 1, wherein the gain medium is made of a titanium sapphire crystal. 前記利得媒体が、アレキサンドライト結晶で構成されていることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載のモードロックレーザ。   The mode-locked laser according to any one of claims 1 to 8, wherein the gain medium is composed of alexandrite crystals. 医療計測用の光源に請求項1乃至10のいずれか1項に記載のモードロックレーザを備えていることを特徴とする医療用計測装置。   A medical measurement apparatus comprising the mode-locked laser according to any one of claims 1 to 10 in a light source for medical measurement. アブレーション加工用の光源に請求項1乃至10のいずれか1項に記載のモードロックレーザを備えていることを特徴とするアブレーション加工装置。   An ablation processing apparatus comprising the mode-locked laser according to any one of claims 1 to 10 in a light source for ablation processing.
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