JP6190317B2 - Laser oscillator - Google Patents

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Description

本発明は、レーザー発振器に関し、より詳細には、分光分析装置、高精度フェムト秒レーザー加工装置などに用いられるフェムト秒パルスレーザーを構成するレーザー発振器に関する。   The present invention relates to a laser oscillator, and more particularly to a laser oscillator constituting a femtosecond pulse laser used in a spectroscopic analyzer, a high-precision femtosecond laser processing apparatus, and the like.

フェムト秒パルスレーザーは、数フェムト秒から数百フェムト秒という超短パルスを出力することができ、非常に短い時間における特定の化学反応の過程を観測する分光分析装置に適用される。また、フェムト秒パルスレーザーは、短時間にエネルギーを圧縮して発振し、ハイパワーの光を出力することから、半導体基板等の加工にも用いられる。   The femtosecond pulse laser can output ultrashort pulses of several femtoseconds to several hundred femtoseconds, and is applied to a spectroscopic analyzer that observes a process of a specific chemical reaction in a very short time. A femtosecond pulse laser is also used for processing a semiconductor substrate and the like because it oscillates by compressing energy in a short time and outputs high power light.

図1に、従来のフェムト秒パルスレーザーの構成を示す。レーザーの増幅媒体として、Yb:YAG単結晶にアンドープYAG単結晶を接合した(長さ3mm)のバルクロッド101を用いて、空間光学系により構成したレーザー発振器である(例えば、非特許文献1参照)。半導体レーザー109から出力された励起光は、レンズ110を介して、球面鏡106および107の間にバルクロッド101が設置されたファブリーペロー共振器に入力される。ファブリーペロー共振器の片側には、可飽和吸収体ミラー102を設置し、反対側には、1%透過の出力鏡103を設置して、共振器を構成する。球面鏡107および出力鏡103の間に分散補償ミラー104および105を設置し、球面鏡106および可飽和吸収体ミラー102の間に球面鏡108を設置する。   FIG. 1 shows the configuration of a conventional femtosecond pulse laser. A laser oscillator configured by a spatial optical system using a bulk rod 101 in which an undoped YAG single crystal is joined to a Yb: YAG single crystal (3 mm in length) as a laser amplification medium (see, for example, Non-Patent Document 1) ). Excitation light output from the semiconductor laser 109 is input via the lens 110 to a Fabry-Perot resonator in which the bulk rod 101 is installed between the spherical mirrors 106 and 107. A saturable absorber mirror 102 is installed on one side of the Fabry-Perot resonator, and an output mirror 103 of 1% transmission is installed on the opposite side to form a resonator. Dispersion compensation mirrors 104 and 105 are installed between the spherical mirror 107 and the output mirror 103, and a spherical mirror 108 is installed between the spherical mirror 106 and the saturable absorber mirror 102.

Yb:YAGレーザーの発振波長域(1.02〜1.08μm)では、Yb:YAG単結晶の群遅延分散は正の値であるが、分散補償ミラーの群遅延分散が負の値であるため、ファブリーペロー共振器全体での群遅延分散は負の値になる。半導体レーザー109(出力4.4W)の励起により、ファブリーペロー共振器内において可飽和吸収体ミラー102により生成したパルスレーザー光は、バルクロッド101内の自己位相変調とファブリーペロー共振器の負の分散により、ソリトンパルスとなって安定化する。例えば、非特許文献1によれば、中心波長1.05μm、パルス幅150fs、繰り返し周波数200MHz、出力43mWのフェムト秒パルスレーザーが報告されている。   In the oscillation wavelength range (1.02 to 1.08 μm) of the Yb: YAG laser, the group delay dispersion of the Yb: YAG single crystal is a positive value, but the group delay dispersion of the dispersion compensation mirror is a negative value. The group delay dispersion in the entire Fabry-Perot resonator becomes a negative value. The pulsed laser light generated by the saturable absorber mirror 102 in the Fabry-Perot resonator by excitation of the semiconductor laser 109 (output 4.4 W) causes self-phase modulation in the bulk rod 101 and negative dispersion of the Fabry-Perot resonator. As a result, a soliton pulse is stabilized. For example, Non-Patent Document 1 reports a femtosecond pulse laser having a center wavelength of 1.05 μm, a pulse width of 150 fs, a repetition frequency of 200 MHz, and an output of 43 mW.

S. Uemura and K. Torizuka, “Center-Wavelength-Shifted Passively Mode-Locked Diode-Pumped Ytterbium(Yb):Yttrium Aluminum Garnet(YAG) Laser,”Jpn. J. Appl. Phys. 44 (2005) L361.S. Uemura and K. Torizuka, “Center-Wavelength-Shifted Passively Mode-Locked Diode-Pumped Ytterbium (Yb): Yttrium Aluminum Garnet (YAG) Laser,” Jpn. J. Appl. Phys. 44 (2005) L361. M. J. F. Digonnet, C. J. Gaete, AND H. J. Shaw, “1.064μm and 1.32-μm Nd : YAG Single Crystal Fiber Lasers,” Journal of Lightwave Technology, Vol. LT-4, No. 4, p. 454-460 (1986).M. J. F. Digonnet, C. J. Gaete, AND H. J. Shaw, “1.064μm and 1.32-μm Nd: YAG Single Crystal Fiber Lasers,” Journal of Lightwave Technology, Vol. LT-4, No. 4, p. 454-460 (1986). Y. Y. Wang, Xiang Peng, M. Alharbi, C. Fourcade Dutin, T. D. Bradley, F. Gerome, Michael Mielke, Timothy Booth, and F. Benabid1, " Design and fabrication of hollow-core photonic crystal fibers for high-power ultrashort pulse transportation and pulse compression," Optics Letters Vol. 37, No. 15, p. 3111-3113 (2008).YY Wang, Xiang Peng, M. Alharbi, C. Fourcade Dutin, TD Bradley, F. Gerome, Michael Mielke, Timothy Booth, and F. Benabid1, "Design and fabrication of hollow-core photonic crystal fibers for high-power ultrashort pulse transportation and pulse compression, "Optics Letters Vol. 37, No. 15, p. 3111-3113 (2008).

しかしながら、上述したフェムト秒パルスレーザーは、ファブリーペロー共振器の光路長が75cmであり、すべて空間光学系により構成されていることから、レーザー発振器の小型化、例えば、ファブリーペロー共振器の大きさを30×30cm以下に設定することは困難であった。例えば、折り返しミラーを増設して、設置面積の低減を図ることも可能であるが、装置の複雑化、光路調整の難易度が増加してしまう。装置の小型化のため、設置面積を縮小したレーザー発振器の開発が望まれている。   However, since the femtosecond pulse laser described above has a Fabry-Perot resonator with an optical path length of 75 cm and is entirely composed of a spatial optical system, the laser oscillator is downsized, for example, the size of the Fabry-Perot resonator is reduced. It was difficult to set it to 30 × 30 cm or less. For example, it is possible to increase the number of folding mirrors to reduce the installation area, but the complexity of the apparatus and the difficulty of adjusting the optical path increase. In order to reduce the size of the apparatus, it is desired to develop a laser oscillator with a reduced installation area.

本発明の目的は、装置の小型化を図り、モード同期レーザーを構成するのに適したレーザー発振器を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a laser oscillator suitable for constituting a mode-locked laser by reducing the size of the apparatus.

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、光路内に増幅媒体を含む共振器を有するレーザー発振器において、前記光路の一部を置き換えるフォトニック結晶ファイバーを備え、前記増幅媒体は、断面形状の外周が6個の円弧により構成される正六角形に近似した形状の単結晶ファイバーであり、前記フォトニック結晶ファイバーは、前記単結晶ファイバーの断面形状と相似のコアを有し、前記単結晶ファイバーの基本モードに光学的に結合されていることを特徴とする。 The present invention, in order to achieve the above object, one embodiment, the laser oscillator with a resonator comprising an amplification medium in the optical path, comprising a photonic crystal fiber to replace a portion of the optical path, the amplification medium is a single crystal fiber having a shape the outer periphery of the cross-sectional shape approximate to a regular hexagon formed by six arc, the photonic crystal fiber, have a core similar to the cross-sectional shape of the single crystal fiber And optically coupled to the fundamental mode of the single crystal fiber .

前記フォトニック結晶ファイバーは、厚さ1μm以下のガラス膜により構成され、長手方向に同一構造が連続する導波路であって、前記導波路のコアとして機能する6回対称の空孔が形成されている。前記フォトニック結晶ファイバーは、断面形状を2次元カゴメ格子とすることもできる。   The photonic crystal fiber is composed of a glass film having a thickness of 1 μm or less, and is a waveguide in which the same structure continues in the longitudinal direction, and a six-fold symmetrical hole that functions as a core of the waveguide is formed. Yes. The photonic crystal fiber may have a cross-sectional shape of a two-dimensional kagome lattice.

本発明によれば、従来、空間光路により形成されていた共振器の一部を、可撓性のあるフォトニック結晶ファイバーに置き換えたため、装置の小型化を達成することができる。   According to the present invention, since a part of the resonator conventionally formed by the spatial light path is replaced with a flexible photonic crystal fiber, it is possible to reduce the size of the device.

本発明のレーザー発振器の増幅媒体は、単結晶ファイバーからなる導波路であり、正六角形に近い形状をしている。フォトニック結晶ファイバーは、導波路のコアとして機能する6回対称の空孔を有し、両ファイバーを高効率に光結合することができる。   The amplification medium of the laser oscillator of the present invention is a waveguide made of a single crystal fiber and has a shape close to a regular hexagon. The photonic crystal fiber has six-fold symmetric holes that function as the core of the waveguide, and can optically couple both fibers with high efficiency.

フォトニック結晶ファイバーは、コアが空孔であるため、非線形光学効果は極めて低い。また、フォトニック結晶ファイバーは、発振光のエネルギーの大部分が空孔部分を導波するため、群遅延分散の波長依存性が平坦である。従って、モード同期レーザーを構成する上で好適である。   Since the core of the photonic crystal fiber is a hole, the nonlinear optical effect is extremely low. Also, in the photonic crystal fiber, the wavelength dependence of the group delay dispersion is flat because most of the energy of the oscillation light is guided through the hole portion. Therefore, it is suitable for configuring a mode-locked laser.

従来のフェムト秒パルスレーザーの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional femtosecond pulse laser. 本発明の一実施形態にかかるレーザー発振器の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the laser oscillator concerning one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態にかかるYb:YAG単結晶ファイバーを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the Yb: YAG single crystal fiber concerning one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態にかかるカゴメ格子フォトニック結晶ファイバーの端面を示す図である。It is a figure which shows the end surface of the kagome lattice photonic crystal fiber concerning one Embodiment of this invention.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図2に、本発明の一実施形態にかかるレーザー発振器の構成を示す。レーザーの増幅媒体として、Yb:YAG単結晶ファイバー201を用いて、導波路と空間光学系により構成したレーザー発振器である。半導体レーザー209から出力された励起光は、レンズ210を介して、平面鏡208および球面鏡206の間にYb:YAG単結晶ファイバー201が設置されたファブリーペロー共振器に入力される。ファブリーペロー共振器の片側には、可飽和吸収体ミラー202を設置し、反対側には、1%透過の出力鏡203を設置して、共振器を構成する。球面鏡206および出力鏡203の間に分散補償ミラー205およびカゴメ格子フォトニック結晶ファイバー204を設置し、平面鏡208および可飽和吸収体ミラー202の間に球面鏡207を設置する。   FIG. 2 shows a configuration of a laser oscillator according to an embodiment of the present invention. This laser oscillator is composed of a waveguide and a spatial optical system using a Yb: YAG single crystal fiber 201 as a laser amplification medium. Excitation light output from the semiconductor laser 209 is input via a lens 210 to a Fabry-Perot resonator in which a Yb: YAG single crystal fiber 201 is installed between the plane mirror 208 and the spherical mirror 206. A saturable absorber mirror 202 is installed on one side of the Fabry-Perot resonator, and an output mirror 203 of 1% transmission is installed on the opposite side to form a resonator. A dispersion compensating mirror 205 and a kagome lattice photonic crystal fiber 204 are installed between the spherical mirror 206 and the output mirror 203, and a spherical mirror 207 is installed between the plane mirror 208 and the saturable absorber mirror 202.

図3に、本発明の一実施形態にかかるYb:YAG単結晶ファイバーを示す。Yb:YAG単結晶ファイバー201は、直径120μm、長さ20mmであり、両端面には、発振波長に対して無反射コートが付されている(例えば、非特許文献2参照)。単結晶材料の成長方位が[111]方位であり、ファイバーの断面形状は円形ではなく丸みを帯びた正六角形、すなわち断面形状の外周が6個の円弧により構成されている。   FIG. 3 shows a Yb: YAG single crystal fiber according to an embodiment of the present invention. The Yb: YAG single crystal fiber 201 has a diameter of 120 μm and a length of 20 mm, and both end faces are provided with a non-reflective coating for the oscillation wavelength (see, for example, Non-Patent Document 2). The growth orientation of the single crystal material is the [111] orientation, and the cross-sectional shape of the fiber is not a circle but a round regular hexagon, that is, the outer periphery of the cross-sectional shape is configured by six arcs.

図2に示したように、ファイバーの側面に1μm厚のSiO膜クラッドを形成して、Yb:YAG単結晶ファイバー201としている。ファイバーは、励起光に対しても、発振光に対しても導波路として機能する。導波する基本横モードのモード形状は、断面形状を反映して、正六角形に近似した形状をしている。従来のフェムト秒パルスレーザーのように、バルク結晶を増幅媒体とすると、温度変化によって光軸ずれが懸念されるが、本実施形態の単結晶ファイバーは、光軸ずれはわずかである。 As shown in FIG. 2, a 1 μm thick SiO 2 film cladding is formed on the side surface of the fiber to form a Yb: YAG single crystal fiber 201. The fiber functions as a waveguide for both excitation light and oscillation light. The mode shape of the fundamental transverse mode to be guided is a shape that approximates a regular hexagon reflecting the cross-sectional shape. When a bulk crystal is used as an amplification medium like a conventional femtosecond pulse laser, there is a concern about optical axis deviation due to temperature change, but the single crystal fiber of this embodiment has a slight optical axis deviation.

本実施形態のレーザー発振器の増幅媒体として、[111]方位へ成長させたNd:YAG単結晶ファイバー、Er:YAG単結晶ファイバー、Tm:YAG単結晶ファイバーを用いることもできる。また、c軸方位に成長させたErサファイア単結晶ファイバーなど、断面が六角形に類似した形状の単結晶ファイバーを適用することもできる。   An Nd: YAG single crystal fiber, Er: YAG single crystal fiber, or Tm: YAG single crystal fiber grown in the [111] orientation can also be used as the amplification medium of the laser oscillator of this embodiment. A single crystal fiber having a cross-sectional shape similar to a hexagon, such as an Er sapphire single crystal fiber grown in the c-axis direction, can also be applied.

これら単結晶ファイバーは、直径(図3のd)が1mm程度より大きい場合、通過しうる空間光が導波光に比べて平均モード半径が小さくなり、導波路として機能しない場合がある。従って、増幅媒体は、最大直径1mm以下の同一断面が長手方向に連続する棒状の単結晶ファイバーであることが望ましい。   When these single crystal fibers have a diameter (d in FIG. 3) larger than about 1 mm, the spatial light that can pass through has a smaller average mode radius than the guided light, and may not function as a waveguide. Therefore, it is desirable that the amplification medium is a rod-like single crystal fiber in which the same cross section having a maximum diameter of 1 mm or less is continuous in the longitudinal direction.

また、上述した単結晶ファイバーは、成長条件によっては六角形に類似した形状を取らないことがある。本実施形態のYb:YAG単結晶ファイバーを、通常のプロセスで製造すると、その断面形状は、数値的に表現すると、最大直径の55%以上の曲率を持つ6個の円弧(図3のa1〜a6)が、最大直径の50%以下の曲率を持つ円弧でつなぎ合わされた断面形状となる。この断面形状の数値表現は、最大直径の50%の曲率を持つ6個の円弧をつなぎ合わせれば円形であることを念頭に置けば、正六角形に近似した形状であることが容易に理解できる。少なくとも本実施形態で用いる単結晶ファイバーの断面形状は、外周が6個の円弧により構成され、上記の数値条件を満たす正六角形に近似した形状が望ましい。   Moreover, the above-mentioned single crystal fiber may not take a shape similar to a hexagon depending on growth conditions. When the Yb: YAG single crystal fiber of this embodiment is manufactured by a normal process, its cross-sectional shape is expressed numerically by six arcs having a curvature of 55% or more of the maximum diameter (a1 to a1 in FIG. 3). a6) is a cross-sectional shape joined by arcs having a curvature of 50% or less of the maximum diameter. It can be easily understood that the numerical expression of the cross-sectional shape is a shape approximated to a regular hexagon, keeping in mind that a circular shape is obtained by connecting six arcs having a curvature of 50% of the maximum diameter. At least the cross-sectional shape of the single crystal fiber used in the present embodiment is preferably a shape whose outer periphery is composed of six arcs and approximates a regular hexagon that satisfies the above numerical conditions.

図4に、本発明の一実施形態にかかるカゴメ格子フォトニック結晶ファイバーの端面を示す。カゴメ格子フォトニック結晶ファイバー204は、Yb:YAG単結晶ファイバー201(増幅媒体)と出力鏡203との間の光路に配置され、長さは1mである。カゴメ格子フォトニック結晶ファイバー204の断面は、7セル内転サイクロイド形状と呼ばれるコア構造を有している(例えば、非特許文献3参照)。カゴメ格子フォトニック結晶ファイバー204は、厚さ0.35μmの薄い石英ガラス膜により構成され、断面形状が2次元カゴメ格子であり、ファイバーの長手方向に同一構造が連続することによって導波路が形成されている。2次元カゴメ格子の中心に正六角形7個と、これを囲む正三角形24個分の格子が6回対称の空孔を形成し、導波路のコアとして機能する。この空孔に接する正六角形と、空孔が共有するガラス膜の断面とが円弧に置き換わり、ここに導波光の強度が集中する。カゴメ格子の間隔は23μm以下であり、コアの最大直径は79μm以下である。2次元カゴメ格子は、外径300μmのガラスキャピラリーの内側に形成されており、全体の断面形状は、通常のガラスファイバーと同様の外部形状になる。   FIG. 4 shows an end face of a kagome lattice photonic crystal fiber according to an embodiment of the present invention. The kagome lattice photonic crystal fiber 204 is disposed in the optical path between the Yb: YAG single crystal fiber 201 (amplification medium) and the output mirror 203, and has a length of 1 m. The cross section of the kagome lattice photonic crystal fiber 204 has a core structure called a 7-cell inversion cycloid shape (see, for example, Non-Patent Document 3). The kagome lattice photonic crystal fiber 204 is composed of a thin quartz glass film having a thickness of 0.35 μm, and the cross-sectional shape is a two-dimensional kagome lattice. A waveguide is formed by the same structure continuing in the longitudinal direction of the fiber. ing. Seven regular hexagons at the center of the two-dimensional kagome lattice and a lattice of 24 regular triangles surrounding the hexagon form a six-fold symmetric hole, which functions as a waveguide core. The regular hexagon in contact with the holes and the cross section of the glass film shared by the holes are replaced with arcs, and the intensity of the guided light is concentrated here. The spacing between the kagome lattices is 23 μm or less, and the maximum diameter of the core is 79 μm or less. The two-dimensional kagome lattice is formed inside a glass capillary having an outer diameter of 300 μm, and the entire cross-sectional shape is the same external shape as a normal glass fiber.

図4に示したように、カゴメ格子フォトニック結晶ファイバー204は、図3に示したYb:YAG単結晶ファイバー201の断面形状と相似のコアを有するので、カゴメ格子フォトニック結晶ファイバー204の導波光のニアフィールドパターンと、Yb:YAG単結晶ファイバー201の基本導波モードのニアフィールドパターンとは相似となる。従って、球面鏡206と分散補償ミラー205とによりモードサイズを変換することによって、両ファイバーを高効率に光結合することができる。レーザーの増幅媒体における熱レンズ効果により、出射光が球面鏡で反射した際の焦点位置が変動すると考えられる。本実施形態のカゴメ格子フォトニック結晶ファイバーでは、コア径が大きいため、焦点でのレイリー距離より位置ずれ量が充分小さく、光結合への影響は無視できる。   As shown in FIG. 4, the kagome lattice photonic crystal fiber 204 has a core similar to the cross-sectional shape of the Yb: YAG single crystal fiber 201 shown in FIG. And the near field pattern of the fundamental waveguide mode of the Yb: YAG single crystal fiber 201 are similar to each other. Therefore, by converting the mode size by the spherical mirror 206 and the dispersion compensating mirror 205, both fibers can be optically coupled with high efficiency. It is considered that the focal position when the emitted light is reflected by the spherical mirror fluctuates due to the thermal lens effect in the laser amplification medium. In the kagome lattice photonic crystal fiber of this embodiment, since the core diameter is large, the amount of positional deviation is sufficiently smaller than the Rayleigh distance at the focal point, and the influence on optical coupling can be ignored.

Yb:YAG単結晶ファイバー201から球面鏡206とは反対方向に出射した光は、45°反射の平面鏡208を介して、球面鏡207により可飽和吸収体ミラー202に集光される。カゴメ格子フォトニック結晶ファイバー204の端面に出力鏡203を形成し、出力鏡203と可飽和吸収体ミラー202との間で共振器を構成する。上述したように、Yb:YAG単結晶ファイバー201とカゴメ格子フォトニック結晶ファイバー204の結合効率を充分大きく設定できるので、レーザー発振器として実用に充分な低しきい値動作を実現することができる。   The light emitted from the Yb: YAG single crystal fiber 201 in the direction opposite to the spherical mirror 206 is condensed on the saturable absorber mirror 202 by the spherical mirror 207 through the flat mirror 208 reflecting 45 °. An output mirror 203 is formed on the end face of the kagome lattice photonic crystal fiber 204, and a resonator is configured between the output mirror 203 and the saturable absorber mirror 202. As described above, since the coupling efficiency between the Yb: YAG single crystal fiber 201 and the kagome lattice photonic crystal fiber 204 can be set sufficiently high, a low threshold operation sufficient for practical use as a laser oscillator can be realized.

カゴメ格子フォトニック結晶ファイバー204の群遅延分散は、発振波長付近で負であり、波長に対し比較的平坦であるから、これと併せて共振器の3次分散を補償するように、分散補償ミラー205を設計することが容易にできる。これらを使用して、共振器全体でおおむね一定の負の群遅延分散値とする。   The group delay dispersion of the kagome lattice photonic crystal fiber 204 is negative in the vicinity of the oscillation wavelength and is relatively flat with respect to the wavelength. Accordingly, the dispersion compensation mirror is used so as to compensate the third-order dispersion of the resonator. 205 can be designed easily. These are used to obtain a negative group delay dispersion value that is generally constant throughout the resonator.

カゴメ格子フォトニック結晶ファイバー204は、コアが空孔であるため、通常の石英ガラスコアファイバーに比べ非線形光学効果は極めて低い。長さ1mのファイバーを共振器内に使用しても、発振光パルスに変形を引き起こす非線形光学効果は、空間光学系と比較して大きな差はない。   Since the core of the kagome lattice photonic crystal fiber 204 is a hole, the nonlinear optical effect is extremely lower than that of a normal quartz glass core fiber. Even when a fiber having a length of 1 m is used in the resonator, the nonlinear optical effect that causes deformation of the oscillation light pulse is not significantly different from that of the spatial optical system.

なお、カゴメ格子フォトニック結晶ファイバーとして、7セル内転サイクロイド形状のみならず、他の種類の6回対称のコアを有するフォトニック結晶ファイバーも利用可能である。フォトニック結晶ファイバーの格子を形成するガラス膜の厚さは、1μm以下が望ましい。ガラス膜が1μmより厚い場合、膜内に導波モードが生じる可能性があるからである。   As the kagome lattice photonic crystal fiber, not only a 7-cell inversion cycloid shape, but also other types of photonic crystal fibers having a 6-fold symmetric core can be used. The thickness of the glass film forming the lattice of the photonic crystal fiber is desirably 1 μm or less. This is because when the glass film is thicker than 1 μm, a waveguide mode may occur in the film.

高出力の半導体レーザー209(波長0.97μm、出力17W)は、ビームが発散的であり、空間中では、長さ20mmよりも大幅に短い距離で、ファイバー径より大きく拡散する。しかし、本実施形態のように、Yb:YAG単結晶ファイバー201の端面に合わせて集光すると、ファイバー内ではクラッド構造により導波されるため、Yb:YAG単結晶ファイバー201の全長に渡って拡散せず、発振光との重なりが良好である。そのため、半導体レーザー209の励起光を効率的に利用できる。半導体レーザー209から出力された励起光は、Yb:YAG単結晶ファイバー201の端面のサイズに合わせて集光するため、レンズ210の焦点距離は比較的短く36mmである。しかし、平面鏡208により、発振光の光路を折り曲げてあるため、Yb:YAG単結晶ファイバー201の端面にレンズ210を近接することができる。 The high-power semiconductor laser 209 (wavelength: 0.97 μm, output: 17 W) has a divergent beam and diffuses in a space much larger than the fiber diameter at a distance much shorter than a length of 20 mm. However, as in the present embodiment, when the light is focused on the end face of the Yb: YAG single crystal fiber 201, the light is guided by the cladding structure in the fiber, so that it diffuses over the entire length of the Yb: YAG single crystal fiber 201. The overlap with the oscillation light is good. Therefore, the excitation light of the semiconductor laser 209 can be used efficiently. Since the excitation light output from the semiconductor laser 209 is condensed according to the size of the end face of the Yb: YAG single crystal fiber 201, the focal length of the lens 210 is relatively short and is 36 mm. However, since the optical path of the oscillation light is bent by the plane mirror 208, the lens 210 can be brought close to the end face of the Yb: YAG single crystal fiber 201.

なお、本実施形態では、ファブリーペロー共振器を例に説明したが、リング共振器にも適用可能である。また、出力部品としての出力鏡を光カプラーとしたり、可飽和吸収体ミラーを透過型の可飽和吸収体とすることもでき、レーザー発振器の構成は、上記の実施形態に限られない。   In the present embodiment, the Fabry-Perot resonator has been described as an example, but the present invention can also be applied to a ring resonator. The output mirror as the output component can be an optical coupler, and the saturable absorber mirror can be a transmissive saturable absorber, and the configuration of the laser oscillator is not limited to the above embodiment.

本実施形態のレーザー発振器をフェムト秒パルスレーザーとして使用すると、中心波長1.05μm、パルス幅150fs、繰り返し周波数200MHz、出力43mWでの発振が可能であり、従来例と同等以上の性能を発揮することができる。従来例の共振器が空間光路により形成されていたのに対して、本実施形態では、可撓性のあるフォトニック結晶ファイバーを用いるため、設置面積の縮小が可能になった。本実施形態のレーザー発振器の設置面積は、半導体レーザーを含めて20cm×20cm以下の大きさである。従来例では、半導体レーザーを除いて30cm×30cm以上を必要としたことから、大幅に縮小されたことがわかる。   When the laser oscillator of this embodiment is used as a femtosecond pulse laser, it is possible to oscillate at a center wavelength of 1.05 μm, a pulse width of 150 fs, a repetition frequency of 200 MHz, and an output of 43 mW, and exhibit the same or better performance as the conventional example. Can do. Whereas the resonator of the conventional example is formed by a spatial light path, in this embodiment, since a flexible photonic crystal fiber is used, the installation area can be reduced. The installation area of the laser oscillator of this embodiment is 20 cm × 20 cm or less including the semiconductor laser. In the conventional example, since it required 30 cm × 30 cm or more excluding the semiconductor laser, it can be seen that the size has been greatly reduced.

101 バルクロッド(Yb:YAG単結晶)
102,202 可飽和吸収体ミラー
103,203 出力鏡
104,105,205 分散補償ミラー
106〜108,206,207 球面鏡
109,209 半導体レーザー
110,210 レンズ
201 Yb:YAG単結晶ファイバー
204 カゴメ格子フォトニック結晶ファイバー
208 平面鏡
101 Bulk rod (Yb: YAG single crystal)
102, 202 Saturable absorber mirror 103, 203 Output mirror 104, 105, 205 Dispersion compensation mirror 106-108, 206, 207 Spherical mirror 109, 209 Semiconductor laser 110, 210 Lens 201 Yb: YAG single crystal fiber 204 Kagome lattice photonic Crystal fiber 208 Plane mirror

Claims (6)

光路内に増幅媒体を含む共振器を有するレーザー発振器において、
前記光路の一部を置き換えるフォトニック結晶ファイバーを備え、
前記増幅媒体は、断面形状の外周が6個の円弧により構成される正六角形に近似した形状の単結晶ファイバーであり、
前記フォトニック結晶ファイバーは、前記単結晶ファイバーの断面形状と相似のコアを有し、前記単結晶ファイバーの基本モードに光学的に結合されていることを特徴とするレーザー発振器。
In a laser oscillator having a resonator including an amplification medium in an optical path ,
Comprising a photonic crystal fiber that replaces part of the optical path;
The amplification medium is a single crystal fiber having a shape approximating a regular hexagon having an outer periphery of a cross-sectional shape composed of six arcs,
The photonic crystal fiber, the have a core similar to the single crystal fiber cross-sectional shape, a laser oscillator characterized in that it is optically coupled to the fundamental mode of the single crystal fiber.
前記単結晶ファイバーは、Yb:YAG単結晶、Nd:YAG単結晶、Er:YAG単結晶、Tm:YAG単結晶、またはErサファイア単結晶のいずれかにより構成されることを特徴とする請求項1に記載のレーザー発振器。   2. The single crystal fiber is composed of any one of Yb: YAG single crystal, Nd: YAG single crystal, Er: YAG single crystal, Tm: YAG single crystal, or Er sapphire single crystal. The laser oscillator described in 1. 前記単結晶ファイバーは、最大直径1mm以下の同一断面が長手方向に連続する棒状であり、最大直径の55%以上の曲率を持つ6個の円弧が、最大直径の50%以下の曲率を持つ円弧でつなぎ合わされた断面形状を有することを特徴とする請求項2に記載のレーザー発振器。   The single crystal fiber has a rod shape in which the same cross section having a maximum diameter of 1 mm or less is continuous in the longitudinal direction, and six arcs having a curvature of 55% or more of the maximum diameter are arcs having a curvature of 50% or less of the maximum diameter. The laser oscillator according to claim 2, wherein the laser oscillator has a cross-sectional shape joined together. 前記フォトニック結晶ファイバーは、厚さ1μm以下のガラス膜により構成され、長手方向に同一構造が連続する導波路であって、前記導波路のコアとして機能する6回対称の空孔が形成されていることを特徴とする請求項1、2または3に記載のレーザー発振器。   The photonic crystal fiber is composed of a glass film having a thickness of 1 μm or less, and is a waveguide in which the same structure continues in the longitudinal direction, and a six-fold symmetrical hole that functions as a core of the waveguide is formed. The laser oscillator according to claim 1, 2 or 3. 前記フォトニック結晶ファイバーは、断面形状が2次元カゴメ格子であり、前記空孔は、正六角形7個と、これを囲む正三角形24個分の格子が6回対称の空孔を形成し、該空孔に接する正六角形と、前記空孔が共有するガラス膜の断面とが円弧に置き換わることを特徴とする請求項4に記載のレーザー発振器。   The photonic crystal fiber has a two-dimensional kagome lattice in cross-section, and the holes include seven regular hexagons and a lattice of 24 regular triangles surrounding the regular hexagons to form six-fold symmetric holes, The laser oscillator according to claim 4, wherein the regular hexagon in contact with the hole and the cross section of the glass film shared by the hole are replaced with an arc. 半導体レーザー、可飽和吸収体ミラーおよび分散補償ミラーをさらに備え、前記共振器の全体の群遅延分散値が負値になるように構成されていることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載のレーザー発振器。   6. The semiconductor laser according to claim 1, further comprising a semiconductor laser, a saturable absorber mirror, and a dispersion compensating mirror, wherein the entire group delay dispersion value of the resonator is a negative value. The laser oscillator described in 1.
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