CN101399426A - 模式同步固体激光装置 - Google Patents

Abstract

一种模式同步固体激光装置，在谐振器内具有固体激光介质、可饱和吸收镜和负色散元件，以瑞利长度的2倍以下的距离，配置固体激光介质及可饱和吸收镜，所述瑞利长度由在可饱和吸收镜形成的振荡光的光束半径确定，另外在谐振器内具有分色镜，使从与谐振器光轴相交的方向朝该光轴入射的激发光向固体激光介质反射，并且使振荡光透射。

Description

模式同步固体激光装置

技术领域

本发明涉及一种固体激光装置，尤其涉及可以实现短脉冲动作的小型化孤子型的模式同步固体激光装置。

背景技术

以往开发的固体激光装置将半导体激光器(LD)作为激发光源，并采用添加了稀土类离子或过渡性金属离子的固体激光介质(激光晶体、陶瓷、玻璃)。其中，产生皮秒至飞秒区域的所谓短脉冲光的短脉冲激光装置，在医疗、生物、机械产业、计测等众多应用领域中得到研究及提倡，而且经过实际验证后，一部分得到实际应用。

这种激光装置通过被称为模式同步的动作来产生短脉冲。简单地讲，所谓模式同步指如下现象：在激光振荡时的频率区域中观察时多个纵模式的相位全部同步(相对相位差＝0)，因此根据纵模式之间的多模干扰成为在时间区域中极短的脉冲。在固体激光装置中，基于半导体可饱和吸收镜(Semiconductor Saturable Absorbing Mirror，SESAM)的模式同步，由于简便、低成本、尺寸小以及自行开始的优点等，被投入了较大精力进行其研发。

尤其在作为CW(连续振荡)模式同步的一种形式的孤子型模式同步中，激光谐振器内的负的群速度色散与主要在激光介质的自身相位调制进行结合，可以产生飞秒区域的脉冲。更加具体地讲，所谓孤子型模式同步指通过可饱和吸收镜起动模式同步而使脉冲保持稳定，并且经过由负群速度色散与自身相位调制的平衡引起的孤子脉冲形成，产生模式同步脉冲的陡峭化，可以产生稳定的脉冲(参照非专利文献1、3)。

另外，用于实现上述孤子型模式同步的固体激光装置基本上在谐振器内设置固体激光介质、可饱和吸收镜和负群速度色散元件。另外，以下有时也把负群速度色散简称为负色散。

图17表示非专利文献1所示的现有的Yb掺杂的孤子型模式同步固体激光器(固体激光介质为Yb：KGd(WO₄)₂)的典型结构。在该图17中，80表示产生例如波长980nm的激发光的激发光源，81表示分别与一对激发光源80对应地设置的输入光学系统，83表示固体激光介质，M₁、M₂表示构成谐振器的例如曲率半径20cm的一对凹面镜，84也表示曲率半径20cm的凹面镜，85表示SESAM，86和87表示由构成棱镜对的例如SF10玻璃形成的棱镜，88表示刀口板，89表示例如透射率4.3％的输出耦合器。

在现有装置中，如图17所示，为了减小在激光介质的激光振荡光的光束半径ω_L、在SESAM的激光振荡光的光束半径ω_A，采用通过凹面镜M1、M2和84在固体激光介质上和SESAM上分别聚束激光振荡光的光束半径的结构。

这样减小激光介质上和SESAM上的点尺寸(振荡光的光束半径)的理由有以下两点。首先，第一个理由是为了降低激光振荡阈值，第二个理由是为了满足孤子模式同步条件。

首先说明第一个理由。激光振荡阈值P_th利用下述公式(1)表示(参照非专利文献2)。

数学式(1)  $P_{\mathrm{th}}=\frac{{\mathrm{\πhv}}_P({{\mathrm{\ω}}_L}^2+{{\mathrm{\ω}}_P}^2)}{4{\mathrm{\σ\τ\η}}_a(f_1+f_2)}(L_i+T_{0C}+2f_1{\mathrm{\σN}}_0\mathrm{ls})---\left(1\right)$

其中，ω_p：固体激光介质中的激发光束半径，hν_p：激发光光子能量，σ：固体激光介质的受激发射截面面积，τ：上限能级寿命，η_a：吸收效率，f₁：下限能级寿命，f₂：上限能级的占有率，L_i：谐振器内部损耗，T_OC：输出镜透射率，N₀：稀土类离子添加浓度，ls：晶体长度。

根据公式(1)可知，为了减小振荡阈值，可以减小固体激光介质中的振荡光束半径ω_L和激发光束半径ω_p。

下面，说明第二个理由即孤子模式同步的条件。根据非专利文献3的记载可知，在孤子型模式同步激光装置中，在何种条件下产生混合存在Q开关动作的模式同步(Q开关模式同步)。Q开关模式同步是指，在Q开关脉冲(频率kHz～数百kHz，脉宽为微秒至纳秒区域)的长脉冲中排列有模式同步脉冲串(频率为10MHz～GHz，脉宽为皮秒至飞秒)的情况。

该动作模式的输出和脉宽、脉冲周期的稳定性不足，所以除能量应用以外，一般不优选。根据非专利文献3，在使用可饱和吸收镜的孤子型模式同步激光装置中，不产生Q开关动作的条件利用下述公式(2)表示。

数学式(2)F_sat，L·A_effL，·g·K²E_P ³+E_P ²>F_sat，L·A_effL，·F_sat，A·A_effA，·ΔR   (2)

其中，E_p：谐振器内部脉冲能量，ΔR：可饱和吸收镜的调制吸收深度，F_sat，A：可饱和吸收镜的饱和通量，F_sat，L(＝hν/σ)：激光介质的饱和通量，hν：振荡激光光子能量，A_eff，A(＝πω_A ²)：可饱和吸收镜上的振荡光束截面面积，A_eff，L(＝πω_L ²)：激光介质中振荡光束截面面积，g：激光介质的激光增益，

数学式(3)  $K=\frac{4{\mathrm{\πn}}_2\mathrm{ls}}{\left|D\right|A_{\mathrm{effL}}{\mathrm{\λ}}_0\mathrm{\Δ}{v}_G}\frac{0.315}{1.76}$

(n₂：激光介质的非线性折射率，D：在谐振器整体往复一次的群速度色散(D<0)，λ₀：振荡光的中心波长，Δν_G：增益波段宽度)。另外，在公式(2)中，左边＝右边时的E_p的解是模式同步阈值，所谓满足公式(2)指设定为E_p大于该模式同步阈值。

根据公式(2)可知，为了避免发生Q开关模式同步，需要减小在激光介质的光束截面面积和在SESAM上的光束截面面积，以及/或者增大谐振器内部脉冲能量E_p。

根据以上理由，在图17所示现有装置中，多采用以下结构来减小在固体激光介质和SESAM上的振荡光束直径，利用两个凹面镜包夹固体激光介质，将振荡光束聚束在固体激光介质中，而且在SESAM上也利用凹面镜将振荡光束聚光。

另外，在专利文献1、2的在谐振器内具有负群速度色散元件的模式同步固体激光装置中，记载了实现装置小型化的结构。具体地讲，专利文献1提出的模式同步固体激光装置，通过将固体激光介质和SESAM靠近配置来实现小型化，专利文献2提出的模式同步固体激光装置，在固体激光介质上涂覆形成可饱和吸收镜，并且使负色散镜兼作输出镜，从而减少光学部件并实现小型化。

专利文献1：美国专利7106764号说明书

专利文献2：日本专利特开平11-168252号公报

非专利文献1：Optics Letters，vol.25 no.15 pp.1119-1121，2000

非专利文献2：Applied Optics，vol.36 no.9 pp.1867-1874，1997

非专利文献3：Journal of Optical Society of America，vol.16 no.1p.46-56，1999

在具有上述图17所述结构的现有模式同步固体激光装置中，最少需要3个凹面镜，根据情况还需要多个用于光束折返的反射镜。因此，构成模式同步固体激光器的光学部件数量增多，进而导致装置成本增加。

在此，具体研究现有模式同步固体激光装置的尺寸。凹面镜与激光介质以及凹面镜与SESAM之间设定为曲率半径的一半左右的距离，所以仅是3个凹面镜、激光介质、SESAM的结构，谐振器长度也需要150mm(曲率半径100mm时)～300mm(曲率半径200mm时)左右的长度，进而考虑到设置用于向谐振器内插入负群速度色散元件等的空间(例如，在图17的示例中，作为负群速度色散元件的棱镜对86、87的间隔是450mm)，需要500mm～1m量级的谐振器长度。一般而言，在固体激光器中装配米量级的谐振器时，难以稳定地动作，因此现有装置的激光振荡动作的稳定性较低。

并且，为了减小固体激光介质中的激发光束半径ω_P，将从LD等激发光源输出的激光充分拘束并入射固体激光介质中，为此设置组合了多个透镜的复杂的激发光学系统，激发光学系统也容易增大。

在专利文献1、2中记载有将谐振器设置成直线式来实现小型化的例子，但是激发光与上述例子同样经由凹面镜输入，无法充分实现激发光学系统的小型化。

发明内容

本发明考虑到上述问题，目的在于提供一种固体激光装置，其体积小，成本低，稳定性高，能够实现飞秒区域的CW模式同步。

本发明的一种模式同步固体激光装置的特征在于，包括：输出镜，构成谐振器的一端；可饱和吸收镜，构成所述谐振器的另一端；固体激光介质，配置在所述谐振器内的与所述可饱和吸收镜的距离为瑞利长度的2倍以下的位置；激发光学系统，从所述谐振器的外部向谐振器内入射激发光；负群速度色散元件，配置在所述谐振器内，所述负群速度色散元件使光在所述谐振器往复一次时的该谐振器整体的群速度色散在0以下；和分色镜，配置在所述谐振器内，所述分色镜将由所述激发光学系统从所述谐振器的外部向谐振器内入射的所述激发光向所述固体激光介质反射，并使振荡光透射。

其中，瑞利(Rayleigh)长度是利用Z_R＝πω_A ²/λ规定的值，在此是指振荡光束半径为光束腰(此时为ω_A)的

倍的、距腰的光轴方向距离。并且，所述可饱和吸收镜与固体激光介质的距离为“瑞利长度的2倍以下”，包括两者的距离为0的情况，即可饱和吸收镜与固体激光介质紧密接合的情况。

另外，优选在谐振器内从所述输出镜侧起按顺序配置所述负群速度色散元件、所述分色镜和所述固体激光介质。

此外，在本发明的模式同步固体激光装置中，优选作为固体激光介质适用在母材中添加有稀土类的介质。作为所述稀土类包括镱(Yb)、铒(Er)或钕(Nd)。

进而，作为如上所述添加有稀土类的固体激光介质的优选例，包括Yb:YAG(Y₃Al₅O₁₂)、Yb:KYW(K(WO₄)₂)、Yb:KGW(KGd(WO₄)₂)、Yb:Y₂O₃、Yb:Sc₂O₃、Yb:Lu₂O₃、Er，Yb：玻璃、Nd：玻璃等。

另外，在本发明的模式同步固体激光装置中，优选可饱和吸收镜的吸收调制深度ΔR在0.4％以上，并且利用下述关系式表示的、预定波长的光在所述谐振器内往复一次时的谐振器内总色散量的绝对值|D|(其中D<0)，被设定在能够通过所述可饱和吸收镜抑制基本周期的孤子脉冲以外的动作方式的脉冲波段内。

数学式(4)  ${\mathrm{\&tau;}}_P=\frac{1.76\left|D\right|{\mathrm{\&lambda;}}_0{A}_{\mathrm{effL}}}{4{\mathrm{\&pi;n}}_2\mathrm{ls}}\frac{1}{E_P}$

(其中，τ_P：脉宽，λ₀：中心波长，A_eff，L(＝πω_L ²)：激光介质中振荡光束截面面积，n₂：激光介质的非线性折射率，ls：激光介质的晶体长度，E_P：谐振器内部脉冲能量)

在此，“孤子以外的动作方式”，指在谐振器中与孤子脉冲竞争而产生的双脉冲或CW背景等竞争脉冲(参照图2)。

参照图3和表1，简单说明与孤子脉冲竞争而产生的竞争脉冲。所谓移位脉冲指与基本孤子脉冲相比脉冲波段、脉冲能量相等、但中心频率产生δν_shift量的移位。所谓CW背景指在时间区域中不以脉冲而以CW(连续波)动作的成分，在波谱上是狭窄线条宽度。所谓双脉冲指具有基本孤子脉冲的1/2能量、1/2脉冲波段的两个脉冲串。虽然均从基本孤子产生频率移位，但在图3中为了简化说明，关于CW背景和双脉冲将移位量表述为零。

表1

 

	中心频率	脉冲能量(任意单位)	脉冲波段(频率)
				孤子脉冲	ν0	1	ΔνP
移位脉冲	ν0-δνshift	1	ΔνP
				CW背景	ν0-δνCW	—	狭窄线条宽度
双脉冲	ν0-δνdouble	1/2	ΔνP/2

另外，移位脉冲是无法根据可饱和吸收镜的吸收调制深度抑制的脉冲，在上述的“基本周期的孤子脉冲以外的动作方式”中不包括移位脉冲。

谐振器内总色散量D与脉宽(另外，脉宽与脉冲波段成反比例)的关系利用上述公式表示，设定在根据如下脉冲波段求出的范围：在被设定为0.4％以上的预定值的可饱和吸收镜的吸收调制深度下，能够抑制由空间烧孔效应产生的竞争脉冲(双脉冲和CW背景)。

本发明人在实现模式同步固体激光装置的小型化的过程中发现，通过将激光介质和SESAM配置为瑞利长度以下，即使是激光介质上没有形成光束腰的结构，也能够产生孤子模式同步脉冲。

此外，本发明人发现并明确了在构成小型装置的情况下，为了实现模式的稳定性，需要对可饱和吸收镜的吸收调制深度及谐振器内总色散量实施预定的限制。

作为本发明的优选方式的可饱和吸收镜的吸收调制深度ΔR及谐振器内总色散量D的条件，是对模式同步的稳定性进行仔细研究的结果后发现的，并且根据上述结论被首次提出。

另外，本发明将产生空间烧孔效应的系统作为对象，所以例如所述非专利文献3公开的、激光介质配置在谐振器的中央附近并可以忽略空间烧孔的装置，不包含在本发明的范围内。

另一方面，在本发明的模式同步固体激光装置中，优选谐振器构成为直线型。

此外，在本发明的模式同步固体激光装置中，优选谐振器模式腰直径(Cavity mode waist diameter)在100μm以下。另外，该“直径”定义为，在与光的行进方向垂直的剖面的光束强度分布中，光强度为最大强度的1/e²以上的区域。

进而，作为上述的负群速度色散元件，适合使用包括棱镜对、衍射格子对、负色散镜中任一个或者两个以上的组合的元件。

此外，在本发明的模式同步固体激光装置中，特别优选作为负群速度色散元件适用透射型负群速度色散镜，其兼备构成谐振器的一端的输出镜的功能。

进而，在本发明的模式同步固体激光装置中，在固体激光介质是Yb：KYW时，优选谐振器内总色散量D在-2500fsec²以上、小于0fsec²的范围。

另一方面，在固体激光介质是Yb：KGW时，优选谐振器内总色散量D在-5750fsec²以上、小于0fsec²的范围。

此外，在固体激光介质是Yb：YAG时，优选谐振器内总色散量D在-1750fsec²以上、小于0fsec²的范围。

此外，在固体激光介质是Yb：Y₂O₃时，优选谐振器内总色散量D在-3250fsec²以上、小于0fsec²的范围。

此外，在固体激光介质是Yb：Lu₂O₃时，优选谐振器内总色散量D在-3000fsec²以上、小于0fsec²的范围。

此外，在固体激光介质是Yb：Sc₂O₃时，优选谐振器内总色散量D在-3000fsec²以上、小于0fsec²的范围内。

进而，在固体激光介质是Er，Yb：玻璃时，优选谐振器内总色散量D在-1200fsec²以上、小于0fsec²的范围内。

此外，在本发明的模式同步固体激光装置中，优选谐振器长度在200mm以下，更优选在100mm以下，最优选在75mm以下，进一步优选在50mm以下。

本发明的模式同步固体激光装置，包括谐振端由输出镜和SESAM构成的谐振器，将激光介质配置在距SESAM为瑞利长度的2倍以下的位置，由此能够在激光介质中实现振荡光较小的光束截面面积，而不需在激光介质中形成振荡光的光束腰。即，与以往利用两个凹面镜包夹激光介质来形成光束腰，进而在SESAM上形成光束腰相比，在本发明中，通过将激光介质和SESAM配置得非常靠近(或者紧密接合)，不需要在谐振器内形成多个光束腰，能够实现小型的装置结构。

此外，由于通过插入谐振器内的分色镜将激发光导入激光介质，所以以往需要图17所示的复杂且大型的激发光学系统，与此相比本发明能够将激发光学系统大幅小型化，而且简化结构，进而做到低成本化。

更加具体地说明现有装置中激发光学系统的问题。由于通过构成谐振器的镜子(在图17中为曲率半径20cm的凹面镜)实施激发，所以激发光学系统大且复杂，并且成本高。现有装置的具体的激发光学系统如下。在将激发光聚光在固体激光介质时，使激发用半导体激光器的slow轴(慢轴：与发射器平行)方向的光束点大致以从1比1至1比2左右的倍率聚光的情况居多。此时，如图17所示，在经由谐振器凹面镜将激发光输入固体激光介质的结构中，凹面镜和激光介质的距离大致与激发光学系统的后方焦点距离相当。在利用一个透镜系统实现该结构的情况下，在激发光学系统的前侧需要该距离的一半至大致相同的距离。作为凹面镜多采用曲率半径100mm～200mm左右的凹面，凹面镜与激光介质的距离需要其一半即50mm至100mm。因此，从半导体激光器到激光介质的距离需要75mm(凹面曲率半径为100mm且以1:2成像)～200(凹面曲率半径为200mm且以1:1成像)。

另外，一般不采用一个透镜系统，而是如图17所示组合多个透镜来。由于激发半导体激光器的fast轴(快轴，与发射器垂直的方向)的发散角比较大，所以一般对fast轴的准直器、聚光用的透镜系统和slow轴用的准直器、聚光用的透镜系统进行组合。在该结构中，最少需要fast轴准直透镜、slow轴准直透镜(根据情况需要slow轴的放大透镜)、聚光透镜合计3～4个透镜。这样，在通过谐振器反射镜进行激发时，存在激发光学系统的透镜系统容易变大变复杂的问题。

与此相比，在上述本发明中，在谐振器内配置分色镜，所以与以往相比能够非常靠近地配置激发光源和激光介质。即，能够将作为激发光学系统的透镜的前侧焦距、后侧焦距均大幅减小。因此，例如作为激发光学系统能够采用使用了折射率分布型透镜等的一个透镜，并且能够将激发光学系统简化并小型化，所以能够将固体激光装置整体小型化。

作为装置整体能够大幅减少部件并小型化，所以能够实现低成本的结构，并且能够实现激光输出的稳定性。

另一方面，在与以往相比将可饱和吸收镜(SESAM)和激光介质大幅靠近而配置时，显著地引起空间烧孔效应，并与模式同步紧密结合，给稳定条件造成影响。另外，作为研究上述稳定条件的文献，已知有Applied Physics B Vol.72 pp.267-278，2001(以下称为参考文献1)。但是，该文献只对某个限定条件进行研究，没有提出扩大模式同步的稳定范围的条件。

规定可饱和吸收镜的吸收调制深度ΔR和谐振器内总色散量D的本发明的优选方式，是对该模式同步的稳定性进行仔细分析的结果，通过发现能够扩大模式同步的稳定范围的条件而得到。以下具体说明这一点。

在激光谐振器中，根据作为增益介质的激光介质在光轴上的位置，所谓空间烧孔效应的产生方式出现差异，其与模式同步现象相结合，对模式同步的稳定性造成影响，这一点可以从上述参考文献1、文献Applied Physics B Vol.61 pp.429-437，1995以及文献Applied Physics BVol.61 pp.569-579，1995得知。

在构成谐振器的反射镜面，产生存在于内部的光波电场的相位跳越，存在电场强度为零的“节”。在将激光介质配置在镜附近时，在激光介质中产生由该相位跳越导致的激光光波强度的空间条纹(Spatialstripe)。这就是空间烧孔。公知在该反射镜附近配置激光介质时、和在谐振器的中间周围配置激光介质时，模式同步动作产生以下差异。在文献Optics Letters vol.25 no.11 pp.859-861，2000中公开了以下内容，在反射镜和固体激光介质紧密接合配置的LD激发薄盘Yb：YAG(Yb：Y₃Al₅O₁₂)激光器中，仅能在700fsec附近的脉宽时得到稳定的模式同步，在除此之外的脉宽时无法得到稳定的CW模式同步。另一方面，公知在缓解了空间烧孔的系统(在物理上与反射镜分离时等效)中，能够实现更加广范围的脉宽(90psec～800fsec)(参照文献OpticsLetters vol.26 no.6 pp.379-381，2001)。

在参考文献1中记载有在反射镜附近配置激光介质时，在增益波谱上产生凹陷，这会引起在内部巡回的孤子脉冲的不稳定性。更加具体地讲，由于空间烧孔效应在反射镜附近表现得更强烈，由在激光介质中产生的空间烧孔引起的增益的条纹图案，波及到在激光谐振器中巡回的激光脉冲(在此由于是孤子脉冲，所以脉冲波段比较宽)的频率区域的增益波谱的调制，这将导致优先对与所期望的脉冲竞争的现象(移位脉冲、双脉冲、CW背景)赋予增益。由此，使得所期望的孤子脉冲在竞争中失败，产生上述不希望的脉冲现象，并导致不稳定。

在本发明的结构中，将发挥反射镜作用的可饱和吸收镜与固体激光介质靠近(或者紧密接合)配置，所以该空间烧孔效应表现得比较强烈，会使得孤子脉冲明显不稳定。

在上述参考文献1中，仅对LD激发Yb：YAG激光器中的1030nm振荡的700fsec脉冲动作进行了研究，而且仅研究了输出功率为数十瓦的高输出区域的动作。对能够期待100～200fsec的短脉冲的其他变化、例如Yb：YAG的1050nm振荡、Yb：KYW(Yb：KY(WO₄)₂)晶体、Yb：KGW(Yb：KGd(WO₄)₂)晶体、Yb：Y₂O₃、Yb：Sc₂O₃、Yb：Lu₂O₃和Er，Yb：玻璃、Nd：玻璃等的模式同步稳定条件，没有进行任何研究。

然而本发明人发现，通过将可饱和吸收镜的吸收调制深度设为0.4％以上，将满足上述公式的谐振器内总色散量|D|设为能够由该可饱和吸收镜抑制竞争脉冲的脉冲波段的预定值，可以进行稳定的孤子模式振荡。并且明确了作为谐振器内色散量D根据情况需要-数千fsec²左右。以往不知道将上述谐振器内总色散量D和吸收深度ΔR各自设为何值比较好，难以稳定地得到CW模式同步，但通过满足本发明的优选方式的上述条件，能够容易地实现可以稳定地进行孤子模式振荡的模式同步固体激光装置。

附图说明

图1是表示本发明的一个实施方式的模式同步固体激光装置的简要侧视图。

图2是说明模式同步固体激光装置的脉冲竞争现象的图。

图3是表示模式同步激光装置的脉冲波段与增益优先度的关系的一例的坐标图。

图4是表示脉冲波段与所需的色散量的关系的坐标图。

图5是表示模式同步激光装置的脉冲波段与增益优先度的关系的一例的坐标图。

图6是表示本发明的其他实施方式的模式同步固体激光装置的简要侧视图。

图7是表示本发明的其他实施方式的模式同步固体激光装置的简要侧视图。

图8是表示本发明的其他实施方式的模式同步固体激光装置的简要侧视图。

图9是表示本发明的其他实施方式的模式同步固体激光装置的简要侧视图。

图10是表示本发明的其他实施方式的模式同步固体激光装置的简要侧视图。

图11是表示模式同步激光装置的脉冲波段与增益优先度的关系的一例的坐标图。

图12是表示模式同步激光装置的脉冲波段与增益优先度的关系的一例的坐标图。

图13是表示模式同步激光装置的脉冲波段与增益优先度的关系的一例的坐标图。

图14是表示模式同步激光装置的脉冲波段与增益优先度的关系的一例的坐标图。

图15是表示本发明的其他实施方式的模式同步固体激光装置的简要侧视图。

图16是表示模式同步激光装置的脉冲波段与增益优先度的关系的一例的坐标图。

图17是表示现有的模式同步固体激光装置的一例的简要俯视图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的优选实施方式。

图1是表示本发明的一个实施方式的孤子(Solition)型模式同步固体激光装置的简要侧视图。如该图1所示，该模式同步固体激光装置包括：半导体激光器11，产生激发光(抽运光，Pumping light)10；激发光学系统12，向谐振器内输入激发光10；分色镜13，配置在谐振器内，使由该激发光学系统12从谐振器外部相对谐振器光轴倾斜入射的激发光10朝向固体激光介质15反射，并且透射在谐振器内谐振的振荡光18；凹面输出镜14，构成谐振器的一侧终端；SESAM(半导体可饱和吸收镜)16，构成谐振器的另一侧终端；固体激光介质15，配置在包括该SESAM16和输出镜14的谐振器内部；和负色散元件17，同样配置在谐振器内。

在本实施方式中，作为固体激光介质15的一例，使用Yb：KYW晶体。作为半导体激光器11，使用发出激发上述固体激光介质15的波长980nm的激发光10的激光器。此外，作为分色镜13，使用具有使波长980nm的激发光10反射、使波长1045nm的固体激光振荡光18透射的特性的分色镜。此外，作为负色散元件17，适用包括所述棱镜对、衍射格子对、负色散镜中任一个或者两个以上的组合的元件。

并且，上述固体激光介质15和SESAM 16，以由在SESAM 16形成的谐振器模式半径(＝振荡光的光束半径)确定的瑞利长度的2倍以下的距离d靠近配置。

在以上结构中，从半导体激光器11输出、并由激发光学系统12相对谐振器光轴倾斜入射的激发光10，由分色镜13反射后输入固体激光介质15，从而固体激光介质15被激发，由此产生的波长1045nm的光通过谐振器的作用而振荡。激光振荡光18的一部分透射输出镜14并作为输出光18a被取出到外部。在该结构的装置中，在谐振器内谐振的激光振荡光18的光束腰仅在SESAM 16上形成。

在此，由激光谐振器内的负色散元件17的作用引起的负的群速度色散、与主要在固体激光介质15的自身相位调制进行结合，得到飞秒区域的脉冲振荡光18a。更加具体地讲，由SESAM 16起动模式同步而使脉冲保持稳定，并且经由孤子脉冲的形成，引起模式同步脉冲的陡峭化，可以产生飞秒量级的稳定的孤子脉冲，上述孤子脉冲的形成由群速度色散与自身相位调制平衡而引起。

在此，说明瑞利长度的2倍这一条件。该条件是本发明人研究用于在固体激光装置中产生孤子模式同步并获得连续脉冲振荡的上述公式(1)和公式(2)而得到的条件。若固体激光介质中的振荡光的光束半径过大，并且振荡阈值和CW模式同步阈值过大，则产生不能引起激光振荡或者未达到模式同步而不能实现脉冲振荡的问题，但是若固体激光介质被配置在自振荡光的光束腰相距瑞利长度的2倍以下的位置，则可以获得孤子型的模式同步。

在将固体激光介质15和SESAM 16分离瑞利长度的2倍左右时，在固体激光介质15的点尺寸(振荡光束半径)ω_L将扩大为在振荡光束腰ω_A的振荡光束半径的2.2倍。因此，根据上述公式(1)，与振荡光束腰到达固体激光介质15的结构相比，激光振荡阈值上升到4.8倍。但是，若在光束腰的光束半径ω_A＝25μm左右，则振荡光束半径ω_L＝2.2×25μm，可以使振荡阈值为100mW以下。另外，此时的瑞利长度为1.9mm，所以2倍是3.8mm。若能够使振荡阈值为100mW以下，则能够以足够高的效率振荡。

另一方面，根据上述公式(2)可知，与振荡光束腰到达固体激光介质15的结构相比，CW模式同步阈值从2.36nJ增大约2.5倍左右成为5.93nJ(其中，作为SESAM 16的特性参数，ΔR＝0.9％，F_sat，A＝90μJ/cm²)。但是，关于这种程度的增大，若能够将振荡阈值抑制为100mW以下，则可以确保足够的振荡输出，可以没有问题地实现CW模式同步。

在本装置中，激发光10从与谐振器光轴相交的方向输入谐振器，由在谐振器内的谐振器光轴上配置的分色镜13反射后被导入固体激光介质。该分色镜13以高反射(例如反射率>85％)对激发光进行反射，并且不反射(例如反射率<0.5％)激光振荡光而使其透射。因此，可以将伴随插入而形成的激光振荡效率的下降抑制到最小限度，并且具有与现有的光学系统相比可以将激发光源靠近固体激光介质的优点。另外，优选该分色镜以45度入射或者以布莱斯特角入射。可以对分色镜实施与激发光的入射角度对应的涂覆设计。

另外，由于具有分色镜，所以能够将激发光学系统作成折射率分布透镜(GRIN透镜＝Graded Index透镜，渐变折射率透镜)等一个透镜的光学系统。其理由在于可以缩短固体激光介质和激发光学系统透镜的距离。实际上在构成1:2的成像系统时，例如在使用节距(Pitch)0.23、实效焦点距离1.94mm的GRIN透镜(Thorlabs公司制造，透镜长度4.42mm，透镜直径1.8mm)时，即使将从光源到透镜(前侧主点)的距离d1＝2/3f＝1.3mm、从透镜(后侧主点)到固体激光介质的距离d2＝2×d1＝2.6mm、以及透镜自身的长度相加，也大约为1.3+2.6+4.4＝8.3mm，可以配置得非常小。在实现1:2的光学倍率时，如上所述，若采取如图17所示现有装置经由凹面输出镜入射激发光的结构，则相应地需要75mm～200mm的长度。因此，可以说在本发明中实现了非常小的激发光学系统。

这样，通过以瑞利长度以下的距离配置固体激光介质和SESAM，可以满足公式(1)和公式(2)，而且可以实现模式同步固体激光装置的小型化。即，通过以上述距离配置固体激光介质和SESAM，可以构成能够振荡孤子脉冲的小型固体激光装置。

但是，如上所述，在使固体激光介质和SESAM(反射镜)靠近的情况下，产生空间烧孔，并由该空间烧孔产生竞争过程(Competitiveprocess)，所以即使产生孤子脉冲，也存在因竞争脉冲而紊乱的问题。

本发明人发现通过将SESAM的吸收调制深度ΔR和谐振器内总色散量D设定在预定范围，可以抑制因该空间烧孔而产生的竞争脉冲，并实现稳定的孤子脉冲动作。

图3表示对Yb：KYW晶体进行数值计算得到的、因空间烧孔而产生的竞争脉冲的增益优先度(Gain advantage)ΔG对孤子脉冲的波谱波段宽度Δλ_P(利用波长波段表示)的依存性。该增益优先度ΔG是由本发明人将参照文献1中记载的公式适用于图1所示结构的模式同步固体激光装置而求出的。图3的横轴为进行激光振荡的孤子脉冲的波谱波段Δλ_P。此外，在此作为基本周期孤子脉冲的增益G，假设G＝0.04(虽然该值取决于激发光的功率、点系统(Spot diameter)、装置结构，但设定为实际装置结构的值)。另外，增益优先度表示各竞争过程(移位脉冲、CW(Continuous wave，连续波)背景、双脉冲)与孤子脉冲的增益之差。根据图3可知，上述竞争过程始终具有比孤子脉冲略高的增益。为了获得所期望的基本孤子的CW模式同步，需要抑制上述竞争脉冲。

SESAM 16具有与脉冲能量E_P对应的非线性反射特性(例如参照非专利文献3)，在上述竞争过程中具有抑制CW背景和双脉冲的效果。更加具体地讲，为了抑制CW背景，只要是调制深度ΔR的一半、即ΔR/2以下的增益优先度ΔG，即可以抑制。另一方面，只要ΔG在ΔR/S(其中，S＝E_P/(F_sat，A·F_eff，A)：SESAM饱和度)以下，即可以抑制双脉冲。

即，在图3中，在满足ΔG(CW)≤ΔR/2、而且ΔG(DP)≤ΔR/S的脉冲波段中，可以抑制CW背景和双脉冲。

另一方面，无法在SESAM16抑制移位脉冲。这是因为，该移位脉冲的成分在原来的基本孤子脉冲和脉宽、脉冲波段、能量中相同，在频率轴上移位(参照上述表1和图2)，所以对SESAM 16赋予相同饱和度，无法分辨。

因此，在移位脉冲的增益优先度ΔG(SP)为大致0的范围、而且满足ΔG(CW)≤ΔR/2且ΔG(DP)≤ΔR/S的脉冲波段中，稳定地产生孤子模式。另外，由于无法在SESAM抑制移位脉冲，所以利用移位脉冲限制能够稳定地产生孤子模式的脉冲波段的下限的情况居多。

另一方面，脉宽τ_P与谐振器内色散量D的绝对值|D|存在如下比例关系(参照非专利文献3)。

数学式(5)   ${\mathrm{\&tau;}}_P=\frac{1.76\left|D\right|{\mathrm{\&lambda;}}_0{A}_{\mathrm{effL}}}{4{\mathrm{\&pi;n}}_2\mathrm{ls}}\frac{1}{E_P}---\left(3\right)$

考虑到上述情况，本发明人发现，成为孤子模式稳定区域的脉冲波段存在限制，等效于谐振器内总色散量D存在限制，为了抑制空间烧孔而产生稳定的孤子模式，需要根据SESAM的吸收深度将谐振器内总色散量D设定为合适范围的值。图4表示根据公式(3)求出的谐振器内总色散量对脉冲波段的依存性(脉宽和脉冲波段具有反比例关系)。

根据上述关系，本发明人发现：将可饱和吸收镜设置成具有使双脉冲相对于谐振器中的基本孤子脉冲的增益优先度G(DP)、和CW背景相对于基本孤子脉冲的增益优先度G(CW)满足

ΔG(CW)≤ΔR/2、而且ΔG(DP)≤ΔR/S  ……(A)

的吸收调制深度ΔR和饱和度S，并且将预定波长的光在谐振器内往复一次时谐振器内总色散量的绝对值|D|(其中D<0)，设为与满足式(A)且满足移位脉冲相对于基本孤子脉冲的增益优先度G(SP)≈0的脉冲波段的范围对应的值，由此可以稳定地产生孤子脉冲。

以下利用具体数值进行研究。

在一般的模式同步固体激光装置中，设计为SESAM饱和度S＝3～5左右，在本发明的具体结构中也假设该范围的值，尤其在以下说明中采用S＝4。

参照图3，双脉冲的增益优先度的最小值为ΔG＝0.05％，所以为了抑制该双脉冲，在S＝4时，作为吸收调制深度的最低线，需要ΔRmin≥ΔG·S＝0.2％。

通常制造的SESAM的调制深度ΔR的最小值为0.3％左右，通常在没有空间烧孔的系统中，ΔR＝0.3％～2％左右适合于模式同步。但是，例如在ΔR＝0.3％、S＝4时，为了抑制CW背景，脉冲波段被限制为ΔR/2＝0.15％，只能稳定地存在4nm～7nm的脉冲波段。此外，根据双脉冲条件，ΔR/S＝0.075％，成为4.5nm～6.0nm，脉冲只能在该范围稳定。此外，根据移位脉冲条件，只能在4nm以上存在(如图3所示，因为移位脉冲的增益优先度在4nm以上时大致为0)。若获取这些条件的积集合，其结果双脉冲条件最严格，仅允许脉冲波段4.5～6.0nm的脉冲。这作为傅立叶变换界限的脉冲，成为仅允许从254fsec到191fsec(波长λ₀＝1045nm)的脉宽(中心223fsec±14％)的被极端限定的范围。

为了确保具有某种程度余量的脉冲波段，需要在上述最低线ΔRmin＝0.2％的2倍以上，实际的SESAM的吸收调制深度为ΔR≥0.4％。通过将ΔR设为0.4％以上，可以扩大脉冲波段。

例如，在ΔR＝0.8％、S＝4时，可能的脉冲波段是Δλ_P＝4nm～8nm，与其对应的脉宽是τ_P＝287～143fsec。在ΔR＝1.4％时，可以将脉冲波段扩大到4nm～11nm，可以生成脉宽287～104fsec的脉冲。

这样，在将SESAM的吸收调制深度设为0.4％以上的预定值时，根据该ΔR能够抑制双脉冲和CW背景的脉冲波段(脉宽)存在限制。

另外，假设作为激发光源的半导体激光器的发射器宽度为100μm、输出功率为3W级，在谐振器长度设为50mm、传输效率为85％、吸收效率为90％、光转换效率为30％、输出耦合T_0C＝1％时，脉冲能量大致为E_P＝23nJ。这大致是在本发明中推测的最大脉冲能量(另外，在图1所示作为本发明的对象的小型装置中，理论上不能实现该值以上的脉冲能量)。

在上述情况下，参照图3，为了生成104fsec脉冲(与脉冲波段11nm相当)，需要950fsec²的负的色散量。在稳定范围的下限4nm(基于移位脉冲的限制)，可以设为2500fsec²左右的负色散量。另外，谐振器内总色散量D又是脉冲能量E_P的函数，所以在脉冲能量较大时，需要更大的色散量，因此作为在本发明中假设的装置，这是谐振器内总色散量的绝对值上限。关于绝对值下限，若脉冲能量减小，则也需要相应地减小谐振器内总色散量，根据图4可知，由于存在谐振器内总色散量大致为零的情况，所以绝对值下限设为超过0。

即，在图1所示结构的模式同步固体激光装置中，在采用Yb：KYW作为固体激光介质，并且吸收调制深度ΔR≥0.4％时，谐振器内总色散量D需要在-2500fsec²以上且小于0的范围。根据装置结构，对总色散量D的范围有进一步限制。例如，在上述例子中ΔR＝0.8％、S＝4、E_P＝20nJ时，谐振器内总色散量D需要在-2500fsec²以上且-1400fsec²以下，此外在ΔR＝1.4％、S＝4、E_P＝20nJ时，谐振器内总色散量D需要在-2500fsec²以上且-1000fsec²以下。

该条件受到激光动作条件的影响，但是不需要大幅变动。其理由如下所述。如图4所示，首先在脉冲能量E_P较低时，由于所需色散量的绝对值较小，所以可以在上述范围。进而，在脉冲能量增大时，需要绝对值比-2500fsec²大的负色散，但最多在2倍左右。这是因为，脉冲能量增大为2倍以上是将谐振器长度延长为2倍以上而减少重复、或者光转换效率提高为2倍以上的情况，但是无论何种情况都在本发明的假设范围之外。此外，图5表示增益较大时(激发功率较大时)G＝0.10时的竞争脉冲的增益优先度ΔG。如图5所示，在增益增大时基本孤子脉冲的稳定范围变狭小，所以色散量的范围取上述范围已足够。

另外，在此作为稳定条件，利用绝对值规定最大色散量(即最大脉宽)，但在现实中优选在激光器的应用上获得更短的脉宽。进而，在具体组装装置时，需要考虑到在稳定/不稳定的边界区域附近动作容易不稳定。因此，优选具有1/5左右的色散量余量，例如在ΔR＝0.8％、S＝4、E_P＝20nJ时，设为谐振器内总色散量D在-2000fsec²以上且-1700fsec²以下，从而可以实现更加稳定的CW模式同步动作。

进而，市场销售的色散镜的最大色散量的绝对值在1200fsec²左右，若利用该一个色散镜实施色散，则需要优选将ΔR设定为在绝对值1200fsec²以下达到稳定的条件。这在下述其他激光材料也相同。另外，在将色散量的绝对值设为超过1200fsec²时，例如后述图6和图7所示，可以设置多个色散镜来实现。

在上述实施方式中，固体激光介质15由Yb：KYW构成，但关于竞争脉冲相对基本周期孤子脉冲的增益优先度，在Yb：KGW晶体的情况下也能够获得与图3和图5相同的计算结果。这是因为，Yb：KYW与Yb：KGW的荧光波段宽度、受激发射截面面积、吸收截面面积等各物理性质常数大致相同。但有一点不同之处是非线性折射率n₂的值，Yb：KGW(n₂＝20×10^-20m²/W)是Yb：KYW(n₂＝8.7×10^-20m²/W)的2.3倍的值。因此，需要谐振器内总色散量D的绝对值为采用Yb：KYW时的2.3倍，在固体激光介质是Yb：KGW时，优选谐振器内总色散量D在-5750fsec²以上且小于0fsec²的范围。

另外，在图1的结构中，谐振器长度为50mm，但在构成图1所示的直线型谐振器时，若谐振器长度在200mm以下，则可以实现模式同步的稳定性和激光谐振器的稳定性这两方面。

如上所述，通过延长谐振器长度，脉冲重复下降，脉冲能量增大，所以能够容易超过CW模式同步阈值。即，认为若仅考虑与CW模式同步相关的公式(2)，则脉冲能量越大越理想，而且谐振器长度越长越理想。

另一方面，从激光输出由于机械振动而不稳定的观点考虑，谐振器长度不能无限制地延长。一般，认为200mm左右是谐振器长度的机械限度。这一点通过以下分析得出。

一般而言，在谐振器长度为1m左右的模式同步固体激光装置中，由于机械性振动/偏移、因受热造成的机构部件的位置变动、因刚性造成的挠曲等导致的光学偏差，导致激光特性的恶化、不稳定。公知谐振器的校准允许度(Alignment allowance)与谐振器长度成反比例，是镜子曲率的函数。并且公知1m级的装置中的校准允许度为50～100μrad左右(参考文献：N.Hodgson and H.Weber，Optical Resonators p.219，Springer)。因此，若谐振器长度在200mm以下，则可以将允许度设为5倍即250～500μrad以上。虽然镜子的机械变动不能全部定量化，但在普通万向接头中为50μrad(8℃的温度变动，Newport公司目录)，在1m级谐振器中产生与允许度相同程度的镜子变动，但若谐振器长度在200mm以下，则变动为允许度的1/5左右，输出变动在可以忽略的水平。

这样，不仅模式同步的稳定性，也考虑激光谐振器的稳定性，作为两方面均可以实现的范围，优选谐振器长度为200mm以下。

下面，进一步说明激光谐振器的结构。作为图1所示的负色散元件17，具体地讲可以使用图6的实施方式所示的由棱镜20、21构成的棱镜对，也可以使用图7的实施方式所示的由负色散镜30、31构成的负色散镜对。只要能够体现出负色散，则并不限于此，也可以使用负色散纤维(Negative dispersion fiber)及衍射格子对。

例如，在使用由SF10玻璃构成的棱镜对时，可以将谐振器长度设为40cm以下。这是因为，在将后述合适的负色散量设为-2500fsec²时，可以将棱镜间隔设为30cm左右(参照上述非专利文献3)。关于负色散镜，公知涂覆有进入深度根据每个波长而不同的电介质多层膜的啁啾镜(参照文献：激光研究第27卷第11号第744-749页)、采用所谓标准干涉仪(Etalon interferometer)的GTI(Gires-TournoisInterferometer)镜(参照文献：IEEET ransaction on Quantum Electronics，vol.22，no.1(1986)pp.182-185)等。后者可以利用市场销售的反射镜实现每面反射-1000fsec²左右，在使用两个时，可以实现往复-4000fsec²的负色散量。但是，在本发明中负色散量规定为考虑到谐振器内的正色散(激光介质和普通镜子、SESAM)的贡献的真正的往复量。为了实现短谐振器化，优选使用后者的负色散镜。此时，谐振器长度可以降低到50mm甚至更低。此时，也可以如图8所示的实施方式，对输出镜14的镜面实施透射型负色散涂覆17A，由此使输出镜14兼作负色散镜17’。并且，在前者的情况下，作为负色散镜，可以使用反射率99.8％左右的啁啾镜。

此外，优选谐振器结构为直线型，但并不限于此，只要SESAM16和固体激光介质15靠近，则可以采用任何结构。例如图9、图10所示，可以采用L字型、V字型的谐振器结构。这样，可以实现各种几何学设计。另外，在图9中40表示反射振荡光18的平面镜，在图10中50表示反射振荡光18的凹面镜，51表示输出镜。另外，在L、V字型结构的装置中，只要谐振器长度在200mm以下，则与直线型同样可以实现模式同步的稳定性和激光谐振器的稳定性这两方面，所以是优选结构。

另外，图11表示关于作为具有代表性的短脉冲材料的Yb：YAG晶体的1050nm振荡，对竞争脉冲相对基本孤子脉冲的增益优先度进行计算的结果。在此，作为基本周期孤子脉冲的增益G，设定G＝0.07。

此时也判明在S＝4时，通过设定ΔR≥0.4％，可以获得稳定地产生孤子脉冲的波段。例如，通过设定ΔR＝0.8％，可以在波段2～4nm抑制双脉冲、CW背景。另外，通过增大ΔR，可以在更大的脉冲波段使孤子脉冲稳定振荡。在实际应用中优选实现300fsec以下的短脉宽的孤子模式同步，因此优选脉冲波段大于4nm(与脉宽287fsec相当)。因此，在使用Yb：YAG时，优选设为ΔR≥0.8％以上。由于Yb：YAG的情况下是Yb：KYW的大约70％的非线性折射率(n₂＝6.2×10^-20m²/W)，所以谐振器内总色散量的最大色散量(绝对值)也是Yb：KYW的最大色散量(绝对值)的70％，在-1750fsec²以上且小于0fsec²。

作为固体激光介质，一般采用单晶，但近年来也利用石榴石(Garnet)类材料等(YAG)进行陶瓷状态下的激光介质的制造，在本发明中也可以使用这种固体激光介质。陶瓷与单晶相比具有相同或更好的光学特性，同时可以实现大型化，有望降低成本。除石榴石之外，被称为C稀土类的一组材料也可以陶瓷化，Yb：Y₂O₃、Yb：Sc₂O₃、Yb：Lu₂O₃等与此相当(参照文献：Optics Express，vol.11 no.22(2003)pp.2911-2916)。此外，玻璃等从本质上讲可以实现大型化而且成本低的材料，也作为激光介质而使用。在掺杂Yb的玻璃以及Er、Yb共掺玻璃(参照文献：Optics Letters，vol.30 no.3(2005)pp.263-265)中，制造了利用玻璃原本具有的宽波段发光的装置。本发明对以上情况也有效。

下面，图12表示关于Yb：Y₂O₃的竞争脉冲相对基本孤子脉冲的增益优先度的计算结果。在此，作为基本周期孤子脉冲的增益G，设定G＝0.06。

此时也判明在S＝4时，通过设定ΔR≥0.4％，可以获得稳定地产生孤子脉冲的波段。例如，通过设定ΔR＝0.8％、S＝4，可以在脉冲波段4～6nm抑制双脉冲、CW背景。这样，在ΔR＝0.4％时，可以抑制双脉冲、CW背景的脉冲波段非常狭小，仅在4nm附近，但通过设定ΔR≥0.8％以上，可以在更广的脉冲波段抑制竞争脉冲。

此外，由于Yb：Y₂O₃的情况下是Yb：KYW的大约1.3倍的非线性折射率(n₂＝1.16×10^-19m²/W)，所以相应地总色散量D的绝对值也是1.3倍。因此，关于Yb：Y₂O₃的谐振器内总色散量D的优选范围是-3250fsec²以上且小于0。

另外，对于具有相同晶体结构的Yb：Lu₂O₃、Yb：Sc₂O₃也进行相同计算。

下面，图14表示对Yb：Lu₂O₃计算的结果。在此，作为基本周期孤子脉冲的增益G，设定G＝0.05。此时也判明在S＝4时，通过设定ΔR≥0.4％，可以获得稳定地产生孤子脉冲的波段，进而通过增大ΔR，可以扩大其波段。

此外，由于Yb：Lu₂O₃的情况下是Yb：KYW的大约1.2倍的非线性折射率(n₂＝1.0×10^-19m²/W)，所以相应地谐振器内总色散量D的绝对值也是1.2倍。因此，关于Yb：Lu₂O₃的谐振器内总色散量D的优选范围是-3000fsec²以上且小于0。另外，关于具有与Yb：Lu₂O₃相同的晶体结构、而且具有大致相同的非线性折射率的Yb：Sc₂O₃，设定与Yb：Lu₂O₃相同的条件。

下面，图14表示采用Er、Yb共掺磷酸玻璃时、竞争脉冲相对基本孤子脉冲的增益优先度的计算结果。在此，作为基本周期孤子脉冲的增益G，设定G＝0.02。

在Er、Yb共掺磷酸玻璃中，利用Yb离子吸收激发光，经过能量转移，向Er离子转移能量。另外，通过使用磷酸玻璃的声子能较大的介质，可以快速从激发能级⁴I_11/2向上限激光能级⁴I_13/2过渡。由此，能够以高效率形成反转分布。此时，振荡光波长为1550nm左右，激发光波长为980nm。

如图15所示，在使用Er、Yb共掺磷酸玻璃作为激光介质时，不仅可以直接取出波长1550nm～1600nm的振荡光18，而且也可以使振荡光18经由非线性光学晶体60产生二次谐波61。此时，可以将振荡光转换到波长780nm～800nm的波段。这样，现有的800nm附近的固体激光器需要钛蓝宝石等过渡金属晶体，而且作为激发光源需要532nm绿色激光，此时可以实现红外波长波段的半导体激光激发，并具有可以使用本质上高效的稀土类过渡的优点。

在Er、Yb共掺磷酸玻璃的情况下，在2nm的脉冲波段中，移位脉冲大致为0。从实际应用上优选实现600fsec以下的短脉宽的孤子模式同步，因此作为脉冲波段优选大于4nm(脉宽600fsec相当)。

并且，由于Er、Yb共掺磷酸玻璃的非线性折射率比较小(n₂＝3×10^-20m²/W)，所以能够减小色散值，谐振器内总色散量的优选范围是-1200fsec²以上且小于0fsec²。

另外，可以认为Nd掺杂的激光玻璃材料也相同。例如，图16表示在Nd掺杂的磷酸类激光玻璃中，计算竞争脉冲相对基本孤子脉冲的增益优先度的结果。

此时，根据与上述相同的分析，优选脉冲波段在4nm以上。ΔNd：磷酸玻璃的非线性折射率为n₂＝2.8×10^-20m²/W是Yb：KYW的1/3，所以色散量D也是1/3，谐振器内总色散量的优选范围是-800fsec²以上且小于0fsec²。

另外，在上述说明中，作为优选方式具体说明了可以产生孤子模式同步的条件，但在对色散量D不施加上述限制的情况下，在本发明的模式同步固体激光装置中，有可能不产生基本模式同步激光，成为上述的双脉冲及Q开关。另一方面，也存在期望双脉冲及Q开关的应用情况。例如提出了以下研究报告，在纳秒区域中，在采用激光对金属等加工时，在第1个脉冲到达加工对象并产生激光烧蚀后，第2个脉冲到来并加热由激光烧蚀生成的等离子，从而提高激光加工的效率，可以将双脉冲利用到上述应用中。并且，Q开关脉冲激光器结合了模式同步具有的高峰值功率和Q开关脉冲具有的高能量，可以用作适合于激光加工的结构。

具体地讲，在上述结构的固体激光装置中，在极度增大(-3000fsec²～-5000fsec²)负色散量的情况下，Q开关或双脉冲与基本周期的模式同步重叠的波形作为输出光被观测到。在Q开关动作时，平均输出为与基本周期的模式同步状态大致相同的程度，在数微秒的长脉冲(Q开关脉冲)中，以数kHz～数百kHz程度的重复排列有模式同步的脉冲串。在上述波形的情况下，通过实施能量放大，也可以适用于激光加工等能量应用。

Claims (10)

1.一种模式同步固体激光装置，其特征在于，包括：

输出镜，构成谐振器的一端；

可饱和吸收镜，构成所述谐振器的另一端；

固体激光介质，配置在所述谐振器内的与所述可饱和吸收镜的距离为瑞利长度的2倍以下的位置；

激发光学系统，从所述谐振器的外部向谐振器内入射激发光；

负群速度色散元件，配置在所述谐振器内，所述负群速度色散元件使光在所述谐振器往复一次时的该谐振器整体的群速度色散在0以下；和

分色镜，配置在所述谐振器内，所述分色镜将由所述激发光学系统从所述谐振器的外部向谐振器内入射的所述激发光向所述固体激光介质反射，并使振荡光透射。

2.根据权利要求1所述的模式同步固体激光装置，其特征在于，

在所述谐振器内，从所述输出镜侧起按顺序配置有所述负群速度色散元件、所述分色镜和所述固体激光介质。

3.根据权利要求1所述的模式同步固体激光装置，其特征在于，

所述固体激光介质在母材中添加有稀土类。

4.根据权利要求3所述的模式同步固体激光装置，其特征在于，

所述稀土类为镱(Yb)、铒(Er)或钕(Nd)。

5.根据权利要求3所述的模式同步固体激光装置，其特征在于，

所述固体激光介质是Yb：YAG(Y₃Al₅O₁₂)、Yb：KYW(K(WO₄)₂)、Yb：KGW(KGd(WO₄)₂)、Yb：Y₂O₃、Yb：Sc₂O₃、Yb：Lu₂O₃、Er，Yb：玻璃、Nd：玻璃的任一种。

6.根据权利要求1所述的模式同步固体激光装置，其特征在于，

所述可饱和吸收镜的吸收调制深度ΔR在0.4％以上，

利用下述关系式表示的、预定波长的光在所述谐振器内往复一次时的谐振器内总色散量的绝对值|D|，被设定在能够通过所述可饱和吸收镜抑制基本周期的孤子脉冲以外的动作方式的脉冲波段内，

数学式(1)

${\mathrm{\&tau;}}_P=\frac{1.76\left|D\right|{\mathrm{\&lambda;}}_0{A}_{\mathrm{effL},}}{4\mathrm{\&pi;}{n}_2\mathrm{ls}}\frac{1}{E_P}$

其中，D<0，τ_P：脉宽，λ₀：中心波长，A_eff，L(＝πω_L ²)：激光介质中振荡光束截面面积，n₂：激光介质的非线性折射率，1s：激光介质的晶体长度，E_P：谐振器内部脉冲能量。

7.根据权利要求1所述的模式同步固体激光装置，其特征在于，

所述谐振器是直线型。

8.根据权利要求1所述的模式同步固体激光装置，其特征在于，

所述固体激光介质中的所述激光振荡光的直径在100μm以下。

9.根据权利要求1所述的模式同步固体激光装置，其特征在于，

所述负群速度色散元件包括棱镜对、衍射格子对、负色散镜中任一个或者两个以上的组合。

10.根据权利要求1所述的模式同步固体激光装置，其特征在于，

所述负群速度色散元件为使所述激光振荡光透射的透射型负色散镜，并且兼作所述输出镜。

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