JP5257924B2 - パルスレーザー発生装置およびパルスレーザー発生方法 - Google Patents

Description

本発明は、パルスレーザー発生技術に関し、特に、マルチモードパルスレーザーの繰り返し周波数を高周波数化する技術に関する。

近年、光メモリなどの光記録技術や、フォトリソグラフィあるいは光造形などの光加工技術や、光通信における光源としてフェムト秒レーザーを用いる技術研究が行われている。

光記録、光加工、光通信の光源にフェムト秒レーザーを用いる場合、高い繰り返し周波数が望まれる。例えば、光通信でレーザー１パルスに１ビットを対応させるとすると、１０Ｇｂｐｓ以上の転送速度を得るためには、レーザーの繰り返し周波数は少なくとも１０ＧＨｚは必要となる。また、光記録や光加工を高速に行うためにも、繰り返し周波数の高周波数化が望まれる。

一方、フェムト秒レーザーとして代表的なモードロックフェムト秒レーザーであるチタンサファイアレーザーの繰り返し周波数は、一般に８０ＭＨｚ程度であり、高くても数ＧＨｚ程度が上限である。

モードロックパルスレーザーから射出されるレーザーパルスの繰り返し周波数は、レーザー共振器の光学的長さによって決定され、共振器長を短くすると繰り返し周波数は高くなる。しかし、レーザー共振器の長さは使用するレーザー活性媒質の効率等によっても決定されるため、高い繰り返し周波数を得る目的のためだけに共振器長を短くすることはできない。

したがって、レーザー共振器の共振器長そのものを短くすることなく、生成されるパルス列の繰り返し周波数を高周波数化する手段が必要になる。

本発明者らは、部分反射鏡を対面させておき、レーザーを２つの部分反射鏡の間で反復させ、この反復によって位相をずらしたものを重ね合わせることによってパルス間隔を短くする手法を提案済みである（特許文献１）。
特開２００６−１３３３４７号公報

本発明は、パルスレーザーの繰り返し周波数を高周波数化することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明では、以下の処理によって、パルスレーザーの繰り返し周波数を高める。

すなわち、本発明に係るレーザー発生装置は、縦モードの位相をロック（同期）するモードロック方式によってレーザーパルス光を生成するレーザー共振器と、レーザーパルス光に含まれるモード光を間引く櫛形フィルター手段と、を有する。

モードロック方式によって生成されるレーザーパルス光には、複数のモード光が含まれ、各モード間の周波数の差は一定である。つまり、レーザーパルス光のスペクトルは、一
定の間隔で並ぶ。このような複数のモード光を櫛形フィルター手段によって間引く、すなわち、一部の周波数成分を除去して、レーザーパルス光に含まれるスペクトルの間隔をより広くする。このようにして、モード間の周波数を大きくすることで、共振器長を短くしたのと同等の効果が得られ、パルス列の繰り返し周波数を高周波数化できる。

ここで、櫛形フィルター手段は、レーザーパルス光に含まれるモード光のうち、一定の周波数間隔ごとに１モード光ずつを残して、その他を除去することが好適である。Ｎモードおきに１モードずつ透過させる場合は、モード間の周波数の差がＮ倍になり、パルスの繰り返し周波数もＮ倍にすることができる。

また、櫛形フィルター手段は、レーザーパルス光に含まれるモード光のうち、一定の周波数間隔ごとに複数モード光ずつを残して、その他を除去しても良い。このようにしても、モード間の周波数が広くなり、パルスの繰り返し周波数は高められる。

本発明における櫛形フィルター手段は、レーザーパルス光に含まれる各モード光を空間的に分離する分波素子と、レーザーパルス光に含まれるモード光を間引くための光学スリットと、光学スリットを透過したモード光を合波する合波素子と、から構成することができる。

光学スリットとしては、ワイヤーグリッドや、金属板に切れ目を入れたものなどを採用可能である。また、光学スリットとして、液晶などの空間光変調素子を採用することも可能である。また、光学スリットは透過型に限られず、櫛状に光を反射させる反射型スリットであっても良い。また、光学系は種々の具体的構成を採用可能であり、例えば、分波素子と合波素子は、異なる素子であっても良く、同一の素子であっても良い。

本発明における櫛形フィルター手段は、２枚の反射鏡を対向させたエタロンとして構成することができる。エタロンは、反射鏡間の光学長に対応したモード光のみを透過させる。したがって、エタロンの透過周波数の間隔を、入射されるレーザーパルス光のモード間の周波数の整数倍（有理数倍でも可）とすることで、レーザーパルス光のモード光を間引くことができる。

なお、本明細書において、「透過」は完全な透過（透過率１００％）のみを意味するわけではない。また、「除去」も完全な遮断（透過率０％）のみを意味するわけではない。「透過」させるべき周波数成分に対する透過率に対して、「除去」すべき周波数成分に対する透過率が十分に小さければ、パルス列の高繰り返し周波数化が可能である。したがって、本明細書における「透過」「除去」の語は、上記目的を奏することができる範囲の透過率を意味するものとして解釈すべきである。

本発明によれば、パルスレーザーの繰り返し周波数を高周波数化することが可能となる。

〈発明の原理〉
まず、本発明の原理について説明する。なお、以下では、周波数領域の関数を大文字で、時間領域の関数を小文字で表す。

モードロックレーザー共振器は、大略、レーザー媒質を納めた光学的空洞（キャビティ）の両端に配置した反射鏡とで構成される。ミラー間で反射された定在波は、レーザー媒質によって増幅される。そして、各縦モードで位相をそろえて同時に発振させるモード同
期（位相同期）という手法を用いてパルス列を得る。本発明では、縦モードのみを扱うので、「モード」あるいは「モード光」は縦モードを表す。

このとき、キャビティ内に存在する定在波の波長λ_ｎは、

となり、周波数ｆ_ｎは、

となる。したがって、隣接するモード同士の周波数の差は、

となり、モード関数Ｍ（ｆ）は図１のようになる。一方、レーザー媒質が持つゲイン帯域を示す関数Ｇ（ｆ）は、図２に示すようになる。

このレーザー共振器から射出されるレーザー光のスペクトルは、

となり、図３に示すようになる。このスペクトル関数を逆フーリエ変換することで、このレーザー共振器から射出されるレーザーパルスのパルス列ｐ（ｔ）が得られる。

このようにして得られるパルス列を図４に示す。

ここで、一般に、パルス列ｐ（ｔ）の繰り返し周波数が高いほどスペクトルＧ（ｆ）×Ｍ（ｆ）の分布は疎となり、パルス列ｐ（ｔ）の繰り返し周波数が低いほどスペクトルＧ（ｆ）×Ｍ（ｆ）の分布は密になる。また、逆に、スペクトルＧ（ｆ）×Ｍ（ｆ）の分布が疎であるほどパルス列ｐ（ｔ）の繰り返し周波数が高くなり、スペクトルＧ（ｆ）×Ｍ（ｆ）の分布が密であるほどパルス列ｐ（ｔ）の繰り返し周波数が低くなる。

この関係を図５に示す。図５Ａは、スペクトルの分布が図３に示す場合よりも疎であれば，パルス列の繰り返し周波数が高くなる（図５Ｂ）ことを示したものである。

繰り返し周波数の異なるパルス列のスペクトル分布を比べると、高繰り返し周波数のパルス列の方が、スペクトル分布が疎である。したがって、低繰り返し周波数のパルス列に対して、櫛形の周波数特性を持つフィルターを適用してスペクトル分布を疎にすれば、パルス列の繰り返し周波数を高くすることができる。

なお、櫛形のフィルターによってスペクトルの間隔をｍ倍にすることで、パルス列の繰り返し周波数がｍ倍になる。このことは、櫛形フィルターによって数式３で表される隣接モード間の周波数の差がｍ倍になり、キャビティの光学長を１／ｍ倍にしたのと同等であることからも理解できる。

櫛形の周波数特性を持つフィルターのスペクトルをＣ（ｆ）とすると、このフィルターを作用させた後のレーザー光のスペクトルは、

と表され、これを逆フーリエ変換することで、フィルター適用後のパルス列を与える関数ｐ’（ｔ）が得られる。

つまり、図６に示すように、低繰り返し周波数のパルス列（図６Ａ）のスペクトル（図６Ｂ）に対して、櫛形フィルタ（図６Ｃ）を適用して周波数成分を間引く（図６Ｄ）ことで、繰り返し周波数を高めたパルス列（図６Ｅ）が得られる。

〈第１の実施形態〉
次に、上記の原理を適用してパルス列の繰り返し周波数を高周波数化する繰り返し周波数逓倍器の構成について説明する。第１の実施形態は、低繰り返し周波数のパルスレーザー光を、回折格子などで周波数成分毎に空間的に分割し、櫛形のフィルターを通した後、再び合波してパルスレーザー光に戻す構成である。すなわち、第１の回折格子でパルスレーザー光をフーリエ変換し、櫛形フィルターにより周波数空間上で周波数成分（モード成分）を間引き、第２の回折格子で逆フーリエ変換することよって、繰り返し周波数の高周波数化が実現される。

図７に、本実施形態に係るパルス発生装置の構成の一例を示す。パルス発生装置は、レーザー共振器１００と繰り返し周波数逓倍器１０とから構成される。レーザー共振器１００は、モードロックによってパルスレーザー光を射出する。典型的には、チタンサファイアレーザー共振器などである。

繰り返し周波数逓倍器１０に入射されたパルスレーザー光は、回折格子１２ａ，１２ｂによって、周波数成分毎に空間的に分離される。そして、櫛形のフィルター１３を通すことで、周波数成分を間引く。フィルター１３を通過した後の光は、回折格子１４ａ，１４ｂによって再び合波されて、繰り返し周波数逓倍器１０から射出される。このとき、射出されるパルスレーザー光の繰り返し周波数は、上記に述べた原理によって高周波数化されている。

フィルター１３は、例えば、金属板にリソグラフィー法などによってスリットを設けたものを用いることができる。また、フィルター１３として、ワイヤーグリッドを用いることができる。あるいは、液晶パネルなどを用いた空間光変調素子を用いることもできる。この場合は、フィルタリング周波数を電子的に制御できるので、生成されるパルス列の周波数も電子的に制御することができる。

なお、上記で説明したように、フィルター１３によって、入力されるパルスレーザー光
のスペクトル間隔をｍ倍にすることで、パルス列の繰り返し周波数をｍ倍にすることができる。

櫛形フィルターとしての光学スリットは、レーザー光を通過させるものでなくても良い。図８に示すように、反射型のフィルター１３’を用いても、上記と同等の効果を得ることができる。

本実施形態に係るパルス発生装置の構成の別の例を図９に示す。レーザー共振器１００から繰り返し周波数逓倍器１０に入射されたレーザーパルス光は、回折格子１５によって周波数成分毎に空間的に分離され、櫛形のフィルター１６によってフィルタリングされる。そして、反射鏡１７によって反射された後、回折格子１５によって合波される。合波されたレーザーパルス光は偏光子１８によって反射されて、繰り返し周波数逓倍器１０から射出される。この射出されるレーザーパルス光は、周波数成分が間引かれることによって、繰り返し周波数が高周波数化されている。

なお、ここでは本実施形態に係るパルス列の高周波化手法として３つの例のみを挙げているが、具体的には種々の変形が可能であることは当業者であれば容易に理解できるであろう。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係るパルス発生装置について説明する。本実施形態では、レーザー共振器から得られたパルスレーザー光を回折格子などで周波数成分毎に空間的に分割することなく、各周波数成分を間引く構成である。

本実施形態に係るパルス発生装置の構成例を図１０に示す。本実施形態においては、繰り返し周波数逓倍器２０は、２つの反射鏡を対向させたエタロン（外部共振器）である。ここで、反射鏡間の光学長は、レーザー共振器１００の光学長Ｌのｍ分の１（ｍは１以上の有理数であり、ｍ＝ｂ／ａと既約分数として表せる）とする。こうすることで、レーザー共振器のモード間周波数をΔｆとしたときに、エタロン２０を透過する光の周波数間隔は（ｂ／ａ）×Δｆとなる。エタロンに入射されるレーザーパルス光の周波数間隔は、Δｆであることから、結局、ｂ×Δｆ間隔の周波数成分のみが透過することになる。すなわち、エタロン２０に入射されたレーザーパルス光の周波数成分は、１／ｂに間引かれることになる。

したがって、本実施形態においてもレーザー共振器から得られるパルス列の繰り返し周波数を高めることができる。なお、レーザー共振器１００は内部にレーザー媒質を納める必要があるためにキャビティ長を短くすることに制限があるが、エタロンの長さは短くすることが容易であるため、繰り返し周波数を大幅に高めることが可能である。この場合、元のレーザー共振器を構成するミラー１０２とミラー１０３、ならびにエタロンを構成するミラー２１とミラー２２間以外にも、ミラー１０２とミラー２１、ミラー１０２とミラー２２、ミラー１０３とミラー２１、ミラー１０３とミラー２２も一種の共振器を構成して新たなフィルターとして機能する可能性がある。これを防ぐには、エタロン２０を光軸に対して僅かに傾ければ良い。

本実施形態に係るパルス発生装置の別の構成例を図１１に示す。図１１の例では、エタロン２０をレーザー共振器１００の内部に設ける。レーザー共振器１００内では、エンドミラー１０２とアウトプットカプラ１０３の間で光が反射されて、レーザー媒質１０１によってレーザーが励起される。エタロン２０は、アウトプットカプラ１０３近傍に設けられて、レーザー共振器１００内に存在するモード光を規制する。本構成例においても、同様の効果が得られる。この場合、元のレーザー共振器を構成するミラー１０２とミラー１
０３、ならびにエタロンを構成するミラー２１とミラー２２間以外にも、ミラー１０２とミラー２１、ミラー１０２とミラー２２、ミラー１０３とミラー２１、ミラー１０３とミラー２２も一種の共振器を構成して新たなフィルターとして機能する可能性がある。これを防ぐには、エタロン２０を光軸に対して僅かに傾ければ良い。

（第３の実施形態）
上記第１，第２の実施形態では、入力されたレーザーパルス光の周波数スペクトルを間引く際に、ｍモードおきに１モードを透過させ、残りを除去するような櫛形フィルターを適用している。これに対して、本実施形態ではｍモードおきに複数モードを透過させ、残りを除去するようなフィルターを採用する。

図１２を参照して説明する。ここでは、図１２Ｂに示すような、４モードおきに２モードずつ透過させ、残りを除去するというフィルター関数を使って、図１２Ａに示すようなスペクトルを有するレーザーパルス光をフィルタリングする。フィルターを適用した後のスペクトルは、図１２Ｃのようになる。

このようなフィルターを適用することで、フィルター適用後のモード周波数の数を元のパルスレーザー光の１／３とすることができる。したがって、フィルター適用後のパルス列の繰り返し周波数は３倍となる。一般にモード周波数は周期的に間引いて１／ｍとすることで、パルス列の繰り返し周波数をｍ倍にすることができる。

このようなフィルタリング手法は、第１の実施形態に示したような、各周波数成分を回折格子などで空間的に分割した後に、スリットなどによってフィルタリングする構成で好適に実施可能である。すなわち、第１の実施形態におけるフィルター３のスリット幅やスリット間隔を適宜調整することで実現可能である。

なお、本実施形態における手法によって繰り返し周波数が高められたパルス列は、その強度が一定とはならないが、少なくとも繰り返し周波数を高めることができている。

また、強度が一定とはならないことを積極的に利用することも可能である。つまり、フィルターの形状を適切に選択して、パルス列の強度を調節することが可能であると考えられる。具体的には、本実施形態におけるフィルタ（図１２Ｂ）のように複数モードずつ透過させる櫛形のフィルターにおいて、図１３に示すように透過率をモード毎に変えれば、パルス列の強度を調節することができる。このようなパルス列の強度制御は、光メモリの記録時におけるレーザーパワーの制御（ライトストラテジー）に適用可能である。

（第４の実施形態）
本実施形態では、不等間隔の櫛形フィルターを採用する。不等間隔の櫛形フィルターを採用することで、得られるパルス列の間隔も不等間隔とすることができる。

本実施形態におけるフィルタリング手法は、第１の実施形態に示したような、各周波数成分を回折格子などで空間的に分割した後に、スリットなどによってフィルタリングする構成で好適に実施可能である。すなわち、第１の実施形態におけるフィルター３のスリット幅やスリット間隔を適宜調整することで実現可能である。

このようにして得られる不等間隔のパルス列は、光学系内部でレーザーパルス光が多重反射されるような状況下において好適に利用可能であると考えられる。つまり、パルスが等間隔だとパルスが重なってしまって見分けがつかなくなってしまったり、パルスが重なった際に光強度が強くなりすぎて光学部品を破壊してしまう可能性がある。不等間隔のパルスを利用することで、このような問題を避けることができる。

図１は、レーザー共振器の構造から決定されるモード関数を示す。 図２は、レーザー媒質が備えるゲイン帯域関数を示す。 図３は、図１，２の特性を有するレーザー共振器から射出されるレーザー光のスペクトルを示す。 図４は、図１，２の特性を有するレーザー共振器から射出されるレーザー光のパルス列を示す。 図５は、密なスペクトル（図５Ａ）を有するパルス列（図５Ｂ）は繰り返し周波数が高いことを示す。 図６はパルス列の繰り返し周波数を高周波数化する原理を説明する図であり、図６Ａは元のパルス列、図６Ｂは元のパルス列のスペクトル、図６Ｃは適用する櫛形フィルターの特性、図６Ｄは櫛形フィルター適用後のスペクトル、図６Ｅは櫛形フィルター適用後のパルス列を示す。 図７は、第１の実施形態に係るパルスレーザー発生装置の構成の例を示す図である。 図８は、第１の実施形態に係るパルスレーザー発生装置の構成の例を示す図である。 図９は、第１の実施形態に係るパルスレーザー発生装置の構成の例を示す図である。 図１０は、第２の実施形態に係るパルスレーザー発生装置の構成の例を示す図である。 図１１は、第２の実施形態に係るパルスレーザー発生装置の構成の例を示す図である。 図１２は第３の実施形態を説明する図であり、図１２Ａは元のパルス列のスペクトル、図１２Ｂは櫛形フィルターの特性、図１２Ｃは櫛形フィルター適用後のスペクトルを示す。 図１３は、第３の実施形態における櫛形フィルターの特性の別の例を示す図である。

符号の説明

１０，２０ 繰り返し周波数逓倍器
１２ａ，１２ｂ、１４ａ，１４ｂ，１５ 回折格子
１３ 光学スリット
１３’ 反射型光学スリット
１４，１６ フィルター
１７ 反射鏡
１８ 偏光子
１００ パルスレーザー発生装置
２１，２２，１０２，１０３ ミラー

Claims (4)

1. モードロック方式によってレーザーパルス光を生成するレーザー共振器と、
   レーザーパルス光に含まれるモード光を不等間隔に間引く櫛形フィルター手段と、
   を有するパルスレーザー発生装置。
2. 前記櫛形フィルター手段は、
   レーザーパルス光に含まれる各モード光を空間的に分離する分波素子と、
   レーザーパルス光に含まれるモード光を間引くための光学スリットと、
   光学スリットを透過したモード光を合波する合波素子と、
   から構成され、
   前記光学スリットは、レーザーパルス光に含まれるモード光を不等間隔に間引くように、スリット幅またはスリット間隔が調整されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のパルスレーザー発生装置。
3. モードロック方式によってレーザーパルス光を生成する第１工程と、
   生成されたレーザーパルス光に含まれるモード光を不等間隔に間引くことによって、パルス列の繰り返し周波数を高めるとともにパルス列の間隔を不等間隔にする第２工程と、
   を含むパルスレーザー発生方法。
4. 前記第２工程は、
   分波素子を用いて、レーザーパルス光に含まれる各モード光を空間的に分離するステップと、
   光学スリットを用いて、レーザーパルス光に含まれるモード光を間引くステップと、
   合波素子を用いて、光学スリットを透過したモード光を合波するステップと、
   を含み、
   前記光学スリットは、レーザーパルス光に含まれるモード光を不等間隔に間引くように、スリット幅またはスリット間隔が調整されている、
   ことを特徴とする請求項３に記載のパルスレーザー発生方法。

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