JP2002536823A - 繰返し率の高い受動モード同期固体レーザ - Google Patents

繰返し率の高い受動モード同期固体レーザ

Info

Publication number
JP2002536823A
JP2002536823A JP2000596636A JP2000596636A JP2002536823A JP 2002536823 A JP2002536823 A JP 2002536823A JP 2000596636 A JP2000596636 A JP 2000596636A JP 2000596636 A JP2000596636 A JP 2000596636A JP 2002536823 A JP2002536823 A JP 2002536823A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
laser
mode
gain element
saturable absorber
abs
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2000596636A
Other languages
English (en)
Inventor
バインガーテン，クルト・ヨット
コプフ，ダニエル
Original Assignee
ギガテラ・アクチェンゲゼルシャフト
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ギガテラ・アクチェンゲゼルシャフト filed Critical ギガテラ・アクチェンゲゼルシャフト
Publication of JP2002536823A publication Critical patent/JP2002536823A/ja
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1106—Mode locking
    • H01S3/1112—Passive mode locking
    • H01S3/1115—Passive mode locking using intracavity saturable absorbers
    • H01S3/1118—Semiconductor saturable absorbers, e.g. semiconductor saturable absorber mirrors [SESAMs]; Solid-state saturable absorbers, e.g. carbon nanotube [CNT] based
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1123—Q-switching
    • H01S3/113—Q-switching using intracavity saturable absorbers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

(57)【要約】 受動モード同期固体レーザが、放出されるパルスの基本繰返し率が１ＧＨｚを超え、Ｑスイッチなしに、電磁放射パルスの連続波列を放出するように設計される。レーザは、光共振器と、前記光共振器内に置かれる固体レーザ利得素子と、有効波長によって特徴づけられる電磁放射を放出するために前記レーザ利得素子を励起するための手段と、可飽和吸収体を含む受動モード同期のための手段とを含む。レーザ利得素子は、好ましくは、有効波長で０．８×１０-18ｃｍ-2を超える誘導放出断面を備えるレーザ材料からなり、典型的には、レーザ利得素子はＮｄ：バナジン酸塩からなる。可飽和吸収体は、好ましくは、半導体可飽和吸収体ミラーデバイスである。レーザは、簡素でロバストで小型で効率が良く低コストである。それは、多数の光学的探索および検出用途のために有用である、１００ｍＷ以上の比較的大きい平均出力を、実質的に基本的空間モードであるビームで生成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
この発明は、レーザに関し、より特定的には、１ＧＨｚを超える繰返し率で動
作するよう設計された受動モード同期固体レーザに関する。
【０００２】
【発明の背景】
固体レーザは、当該技術において公知である。それらのレーザ利得媒質は、固
体ホストに希釈濃度で組込まれたドーパントイオンである。レーザ利得媒質は、
レーザ利得媒質にポンピングビームを当てることにより、光学的に励起され、電
磁放射を放出することができる。
【０００３】 繰返し率の高いレーザは、無線周波数光電陰極を駆動するためのシードソース
として使用されるなど、多数の用途において望ましい。そして、これらのＲＦ光
電陰極を用いて、高エネルギの電子群を線型加速器に注入する。典型的には２．
８ＧＨｚ以上である、線型加速器の駆動周波数で動作するレーザ繰返し率を有す
ることがしばしば望ましい。電子が完全に加速された後、診断ツールまたは光電
子相互作用において、加速器の駆動周波数に同期化された繰返し率の高いレーザ
を使用することも可能である。
【０００４】 繰返し率の高いレーザの他の可能な用途は、情報通信、光スイッチングおよび
光電子テストの領域である。ネットワークおよび電子部品が帯域幅およびクロッ
ク周波数において増大し続けると、光パルスレーザ源が、これらの部品の駆動、
センシングおよびテストのためにますます重要となる。集積回路の光学的クロッ
キングのためのこの応用の一例は、ＵＳ−５，８１２，７０８（ラオ（Rao））
に開示される。
【０００５】 モード同期は、レーザの特殊な動作領域であって、空洞共振器内変調（振幅ま
たは位相変調器）がすべてのレーザモードを一定の位相で動作するように強制し
、すなわち、位相ロックされ、または「モード同期され」、そのためレーザ出力
の時間的形状が、短い（典型的にはピコ秒またはフェムト秒の範囲）光パルスの
連続的に繰返す列を形成する。このパルス列の繰返し率は、レーザ往復時間の逆
数によって設定され、またはレーザの自由スペクトル領域によって等価に設定さ
れ、すなわち、ｆrep＝ｃ／２Ｌである。式中、ｃは光の速度であり、Ｌは定常
波空洞共振器のための空洞共振器長さである。この繰返し率ｆrepは、レーザ空
洞共振器の基本繰返し率と呼ばれる。これが往復時間当り空洞共振器内で循環す
る１つのみのレーザパルスに対応するからである。繰返し率は、ある条件下で基
本繰返し率の整数倍数Ｎによって尺度決め可能であり、これは、高調波モード同
期と呼ばれる。この場合には、往復時間当り空洞共振器内で循環する複数のレー
ザパルスがある。
【０００６】 レーザの最小の可能なパルス幅は、名目上、レーザ遷移の線幅によって設定さ
れ、ｔmin≧０．４４／Δｆの条件にほぼ従う。ただし、Δｆはレーザ遷移の線
幅である。Ｎｄ：ＹＡＧまたはＮｄ：バナジン酸塩などの典型的なレーザ材料に
ついて、レーザ線幅は、１０ｐｓより下までパルスを支持することができる。Ｎ
ｄ：ガラスまたはＴｉ：サファイアなどのより広い帯域幅の材料について、１０
０ｆｓより下、１０ｆｓより下までものパルス幅を生成することができる。
【０００７】
【先行技術の説明】
モード同期レーザは、最先端の技術において周知であり、１９６０年代に初め
て記載された（Ｈ．Ｗ．モッカ（H. W. Mocker）らによる、「Ｑスイッチルビー
レーザにおけるモード競合および自己同期効果」（“Mode competition and sel
f-locking effects in a Q-switched ruby laser”）、Applied Physics Letter
s、第７巻、第２７０頁〜２７３頁、１９６５年、を参照）。可飽和吸収体を用
いる受動モード同期は、そのほぼ直後に発見された。ほとんどのモード同期レー
ザは、能動の変調器を使用しており、「能動」という言葉は、無線周波数信号ま
たは別の電子信号などのパワーの源が、変調器に周期的に与えられなければなら
ないことを意味する。典型的な能動の変調器は、音響光学変調器（ＡＯＭ、ブラ
ッグセル）または電気光学（ＥＯＭ、ポッケルスセル）である。能動の変調器は
、光学信号の振幅（ＡＯＭまたはＥＯＭ）または位相（ＥＯＭ）を変調し、モー
ド同期を達成することができる。
【０００８】 能動モードロッカは、コストおよび複雑さに関する不利益を有する。典型的な
装置は、典型的には（ＡＯＭのための）高出力高安定性のＲＦ信号または（ＥＯ
Ｍのための）高圧の要素からなる駆動電子部品に加えて、精密電気光学要素を必
要とする。さらに、フィードバック電子部品が、変調器のための駆動信号および
／またはレーザ空洞共振器長さのいずれかを安定化させシステムから必要な安定
性を達成するのに必要とされ得る（ＵＳ−４，０２５，８７５、フレッツアー（
Fletcher）らによる「長さが制御され安定したモード同期Ｎｄ：ＹＡＧレーザ」
（“Length controlled stabilized mode-lock Nd:YAG laser”）、および、光
波エレクトロニクス（Lightwave Electronics）、シリーズ１３１データシート
、１９９４年３月を参照）。
【０００９】 能動モード同期は、市販の、ランプでポンピングされるレーザシステムにおい
て利用可能であり、より最近には、典型的には１００ＭＨｚで最大２５０ＭＨｚ
まで拡張する繰返し率のダイオードでポンピングされるレーザシステムにおいて
利用可能である。能動モード同期に対する研究はより高い繰返し率で行なわれて
おり、約２ＧＨｚの繰返し率（Ｋ．Ｊ．バインガーテン（K. J. Weingarten）ら
による「２ギガヘルツの繰返し率の、ダイオードでポンピングされたモード同期
Ｎｄ：ＹＬＦレーザ」（“Two gigahertz repetition rate, diode-pumped, mod
e-locked Nd:YLF laser”）、Optics Letters、第１５巻、第９６２頁〜９６４
頁、１９９０年参照）、５ＧＨｚの繰返し率（Ｐ．Ａ．シュルツ（P. A. Schulz
）らによる「Ｎｄ：ＹＬＦレーザの５ＧＨｚモード同期」（“5-GHz mode locki
ng of a Nd:YLF laser”）、Optics Letters、第１６巻、第１５０２頁〜１５０
４頁、１９９１年）、２０ＧＨｚの繰返し率（Ａ．Ａ．ゴジル（A. A. Godil）
らによる「２０ＧＨｚ誘電体共振器／光変調器を用いるＮｄ：ＢＥＬレーザの高
調波モード同期」（“Harmonic mode locking of a Nd:BEL laser using a 20-G
Hz dielectric resonator/optical modulator”）、Optics Letters、第１６巻
、第１７６５頁〜１７６７頁、１９９１年）、より最近には、４０ＧＨｚの繰返
し率（Ａ．Ｊ．Ｃ．ビエラ（A. J. C. Viera）らによる「マイクロ波およびミリ
メートル波の生成のためのマイクロチップレーザ」（“Microchip laser for mi
crowave and millimeter-wave generation”）、IEEE MTT-SIMOC'97 Proceeding
s）を達成している。すべての場合において、システムは、安定なＲＦソースお
よびＲＦ増幅器によって駆動される能動変調器を必要としていた。４０ＧＨｚの
最も高い繰返し率が、「高調波」モード同期で達成され、（Ｍ．Ｆ．ベッカー（
M. F. Becker）らによる「Ｎｄ：ＹＡＧレーザの高調波モード同期」（“Harmon
ic mode locking of the Nd:YAG laser“）、IEEE Journal of Quantum Electro
nics、第ＱＥ−８巻、第６８７〜６９３頁、１９７２年参照）、変調器は、基本
レーザ繰返し率の何らかの整数倍数で駆動される。これは、レーザシステムにお
ける複雑さおよび不安定さのさらなるもととなる。一般的に、可能であれば高調
波モード同期は避けたい。
【００１０】 希土類をドープしたファイバレーザおよび半導体レーザなどの他のレーザ媒質
を用いて高い繰返し率を生成することも可能である。＞１０ＧＨｚの繰返し率が
、半導体量子井戸レーザにおいて示され（ＵＳ−５，０４０，１８３、チェン（
Chen）らによる「光パルス生成手段を含む装置」（“Apparatus comprising opt
ical pulse-generating means”）を参照）、＞１００ＧＨｚまでものパルス繰
返し率を達成している。しかしながら、それらの方策は、平均出力の点において
限られているように思われる。ファイバレーザはまた、能動または高調波受動モ
ード同期を用いて高い繰返し率まで示された（ＵＳ−５，４１４，７２５、フェ
ルマン（Fermann）らによる「受動モード同期レーザの高調波分割」（“Harmoni
c partitioning of a passively mode-locked laser”）、および、Ｓ．Ｖ．チ
ェルニコフ（S. V. Chernikov）らによる「電界吸収変調器に基づく変換制限光
パルスの持続時間調整可能な０．２−２０ｐｓ１０−ＧＨｚソース」（“Durati
on-tunable 0.2-20 ps 10-GHz source of transform-limited optical pulse ba
sed on an eletroabsorption modulator”）、Optics Letters、第２０巻、第２
３９９〜２４０１頁、１９９５年を参照）。
【００１１】 他方で、基本繰返し率での受動モード同期は、モード同期パルスの生成に対す
る、はるかにより簡素でロバスト（robust）でかつよりコストの低い方策である
。受動モード同期は、最新の技術においても定着している（Ａ．Ｊ．デマリア（
A. J. DeMaria）らによる「可飽和吸収体でのレーザの自己モード同期」（“Sel
f mode-locking of lasers with saturable absorbers”）、Applied Physics L
etters、第８巻、第１７４〜１７６頁、１９６６年参照）。近年における受動モ
ード同期の最も重要な発展は、Ｔｉ：サファイアおよび他のフェムト秒レーザシ
ステムからフェムト秒のパルスを生成するためのカーレンズモード同期（ＫＬＭ
）（ＵＳ−５，１６３，０５９、ニーガス（Negus）らによる「非線形自己集束
素子を用いるモード同期レーザ」（“Mode-locked laser using non-linear sel
f-focusing element”）、および、多数の固体レーザにおいてピコ秒およびフェ
ムト秒のパルスを生成するための半導体可飽和吸収体ミラー（ＳＥＳＡＭ）デバ
イス（Ｕ．ケラー（U. Keller）らによる「固体レーザにおけるフェムト秒から
ナノ秒のパルス生成のための半導体可飽和吸収体ミラー（ＳＥＳＡＭ）」（“Se
miconductor saturable absorber mirrors (SESAMs) for femtosecond to nanos
econd pulse generation in solid-state lasers”）、Journal of Selected To
pics in Quantum Electronics (JSTQE)、第２巻、第３号、第４３５〜４５３頁
、１９９６年を参照）である。受動モード同期は、増大する光学強度で減少する
損失を発生するか、または同様に、増大する光学強度で増加利得を発生するかの
いずれかである可飽和吸収体メカニズムに依拠する。可飽和吸収体パラメータが
レーザシステムに対して正しく調節されるとき、レーザ空洞共振器における光学
強度は、モード同期パルス列がレーザ空洞共振器における所与の数の往復に対応
する時間期間にわたって組立てられるように増強される。
【００１２】 最も受動的にモード同期されるレーザは、約１００ＭＨｚの繰返し率で作動さ
れており、約１．５ｍの空洞共振器長さに対応する。この空洞共振器長さは、多
くの用途（再生レーザ増幅器をシーディングする（seeding）など）に適してお
り、研究所規模のレーザを構築するのにも便利である。より高い繰返し率を達成
するために研究がなされているが、これは、情報通信および光学的クロッキング
への応用にとって重要なものであり得る（ＵＳ−４，９３０，１３１、サイザー
（Sizer）による「繰返し率の高い高出力光パルスのソース」（“Source of hig
h repetition rate, high power optical pulses”）、ＵＳ−５，２７４，６８
９、ハーベー（Harvey）らによる「高調波モード同期レーザ」（“Harmonically
mode-locked laser”）、ＵＳ−５，００７，０５９、ケラー（Keller）らによ
る「非線形外部空洞共振器モード同期レーザ」（“Nonlinear external cavity
mode-locked laser”）、Ｂ．Ｅ．ボーマ（B. E. Bouma）らによる「小型カーレ
ンズモード同期共振器」（“Compact Kerr-lens mode-locked resonators”）、
Optics Letters、第２１巻、１９９６年、第１３４〜１３６頁、および、Ｂ．Ｃ
．コリングス（B. C. Collings）らによる「受動モード同期短空洞共振器Ｃｒ４
＋：ＹＡＧレーザにおける真の基本的ソリトン」（“True fundamental soliton
s in a passively mode-locked short-cavity Cr4+:YAG laser”）Optics Lette
rs、第２２巻、第１０９８〜２０００頁、１９９７年、参照）。
【００１３】 しかしながら、固体レーザにおける受動モード同期は、１ＧＨｚを超える基本
繰返し率では容易に達成されなかった。この制限については多くの理由がある。
まず、所与の平均出力について、（パルス幅も一定であるとして）レーザ繰返し
率が増大すると、パルスエネルギおよびしたがってパルスにおけるピーク出力が
減少する。受動モード同期を達成するためにピーク出力誘導の非線形に依拠する
レーザ（すなわちＫＬＭを用いるレーザ）について、それは、より高い繰返し率
でモード同期することがますます困難になる。さらに、繰返し率に反比例して空
洞共振器のサイズが長さにおいて減少し、分散補償を適切に与えることがより困
難となる。言及したように、ＫＬＭを用いる固体レーザが１ＧＨｚの繰返し率を
実質的に超えるとは報告されていない（Ｂ．Ｅ．ボーマらによる「小型カーレン
ズモード同期共振器」、Optics Letters、第２１巻、１９９６年、第１３４〜１
３６頁、および、ＵＳ−５，５５３，０９３、ラマズワーミイ（Ramaswamy）ら
による「プリズム端要素を用いる分散補償レーザ」（“Dispersion-compensated
laser using prismatic end elements”）を参照）。
【００１４】 モード同期のためにＳＥＳＡＭを用いる受動モード同期レーザに関して、繰返
し率に対する制限は、Ｑスイッチの不安定さの発現である。（Ｕ．ケラーらによ
る「固体レーザにおけるフェムト秒からナノ秒のパルス生成のための半導体可飽
和吸収体ミラー（ＳＥＳＡＭ）」、Journal of Selected Topics in Quantum El
ectronics（JSTQE）第２巻、第３号、第４３５〜４５３頁、１９９６年、および
、Ｕ．ケラーによる「超高速全固体レーザ技術」（“Ultrafast all-solid-stat
e laser technology”）、Applied Physics. B、第５８巻、第３４７〜３６３頁
、１９９４年、参照）。これも、典型的には数百メガヘルツの範囲にレーザ繰返
し率を制限してきた。結合された空洞共振器モード同期（ＲＰＭ）の技術を用い
て、１ＧＨｚの繰返し率が示された（Ｕ．ケラーによる「ダイオードでポンピン
グされた、高繰返し率の共振受動モード同期Ｎｄ：ＹＬＦレーザ」（“Diode-pu
mped, high repetition rate, resonant passive mode-locked Nd:YLF laser”
）、Proceedings on Advanced Solid-State Lasers、第１３巻、第９４〜９７頁
、１９９２年を参照）。しかしながら、主レーザ空洞共振器に注意深く整列され
なければならないさらなるレーザ空洞共振器のために、これははるかにより複雑
なレーザである。
【００１５】 （典型的には３ＧＨｚ以上で動作する）線型粒子加速器との同期、光パルス源
としての高速情報通信ネットワーク、ギガヘルツの範囲の回路およびシステムの
光学クロッキングなどの多くの応用において、１ＧＨｚより大きい繰返し率を達
成することが有利であろう。これらのレーザは、精度レンジング、光検出器およ
び他の光学的にトリガされる要素の光学テスト、ならびに電子部品および集積回
路に対する電気光学的試験などの測定への応用においても用途を見出すかもしれ
ない。
【００１６】
【発明の概要】
この発明の目的は、（最大約５０ＧＨｚ以上まで）可能な限り高くまで拡張す
る、１ＧＨｚより大きい繰返し率の、簡素でロバストな受動モード同期レーザを
示すことである。この発明のさらなる目的は、レーザシステムであって、実質的
に基本的空間モードであるビームで、多数の光学的探索および検出用途について
有用である、１００ｍＷ以上の比較的大きい平均出力を生成し、半導体レーザに
よってポンピングされ（「ダイオードでポンピングされる」(diode-pupmed)）そ
れにより小型で効率がよく低コストになる、レーザシステムを生成することであ
る。
【００１７】 設計をさらに簡素化する半導体可飽和吸収体ミラー（ＳＥＳＡＭ）の使用でこ
れが可能になることを示すことを目的とする。
【００１８】 この発明に従えば、受動モード同期固体レーザは、放出されるパルスの基本繰
返し率が１ＧＨｚを超え、Ｑスイッチなしに、以下に示すある条件下で、有効波
長によって特徴付けられる電磁放射パルスの連続波列を放出するよう設計可能で
ある。レーザは、光共振器と、前記光共振器内に置かれる固体レーザ利得素子と
、有効波長によって特徴付けられる電磁放射を放出するために前記レーザ利得素
子を励起するための手段と、可飽和吸収体を含む受動モード同期のための手段と
を含む。レーザ利得素子は、好ましくは、有効波長で０．８×１０-18ｃｍ-2を
超える誘導放出断面を備えるレーザ材料からなり、典型的には、レーザ利得素子
はＮｄ：バナジン酸塩からなる。可飽和吸収体は、好ましくは、半導体可飽和吸
収体ミラーデバイスである。
【００１９】 パルスが１ＧＨｚを超える基本繰返し率で放出される、有効波長によって特徴
付けられる電磁放射パルスの連続波列を放出するための手段は、有効波長によっ
て特徴付けられる電磁放射を放出するためにレーザ利得素子を励起するステップ
を含み、前記レーザ利得素子は、光共振器内に置かれ、さらに前記方法は、前記
光共振器において前記電磁放射を再循環させるステップと、可飽和吸収体を用い
て前記電磁放射を受動的にモード同期させるステップとを含む。
【００２０】 受動モード同期レーザにおけるＱスイッチの不安定さを回避するのに必要な条
件をより注意深く調べると、以下の安定性の条件を得ることができる： （Ｆlaser／Ｆsat,laser）・（Ｆabs／Ｆsat,abs）＞ΔＲ （１） 式中、Ｆlaserは、レーザ材料中のフルーエンス（fluence）であり、Ｆsat,la ser ＝ｈυ／σlaserは、レーザ材料の飽和フルーエンス（saturation fluence）
であり、ｈはプランクの定数であり、υは中心レーザ周波数であり、σlaserは
レーザ断面パラメータであり（Ｗ．コシュナー（W. Koechner）、Solid-State L
aser Engineering、第４版、Springer-Verlag、ニューヨーク、１９９６年を参
照）、Ｆabsは、吸収体デバイス上のフルーエンスであり、Ｆsat,abs＝ｈυ／σabs-eff は吸収体の有効飽和フルーエンスであり、ただしσabs-effは吸収体デバ
イスの有効断面パラメータであり、ΔＲは、吸収体デバイスの変調深度である。
この方程式を用いて、より高い繰返し率での動作のためにレーザを尺度決めする
ことができる。その他すべて（すなわち、レーザ材料および吸収体のモードサイ
ズ、平均出力、およびパルス幅）が一定であるとするならば、繰返し率が増大す
ると、減少するパルスエネルギのために左側の項が減少する。変調深度ΔＲを任
意で減少させることによりこの条件下でＱスイッチを回避することが可能である
。しかしながら、ある変調深度より下では、吸収体は、モード同期を開始および
維持するほど十分に強い効果を有しない。
【００２１】 さらにわかりやすくするために、以下のとおり式（１）を簡素化する： Ｓlaser・Ｓabs＞ΔＲ （２） 式中、Ｓlaserはレーザ材料中のフルーエンス比（fluence ratio）であり、Ｓabs は、吸収体上のフルーエンス比である。この低減された記数法により、さら
に議論を簡素化することができる。最大の良度指数（figure of merit）を達成
するために、レーザ設計を変更し、レーザ材料におけるフルーエンス比Ｓlaser
を増大させるか、または、吸収体におけるフルーエンス比Ｓabsを増大させるこ
とができる。
【００２２】 まず、吸収体のフルーエンス比Ｓabsを増大させることを検討する。吸収体の
フルーエンスレベルに対しては２つの限界がある。まず、非常に高いフルーエン
スは、光学的損傷をもたらす可能性がある。ＳＥＳＡＭ吸収体の損傷レベルは、
３０ｍＪ／ｃｍ2の範囲で測定された。第２に、非常に高いフルーエンス（しか
し損傷しきい値よりなおも下である）により、レーザは往復時間当り複数のパル
スで動作するようになる可能性がある（すなわち、高調波モード同期の形である
）。これは、レーザの繰返し率を増大させるための方法として望ましいものであ
るかもしれないが、それにより、レーザの動作安定性が減じられる可能性がある
。ＳＥＳＡＭでの典型的なフルーエンスレベルは、およそＦsat,absから５０Ｆs at,abs までの高さの範囲であり得る。（典型的飽和フルーエンスＦsat,absはお
よそ５０から１００μＪ／ｃｍ2である）。
【００２３】 ＳＥＳＡＭの飽和フルーエンス、Ｆsat,abs-effを検討することも重要である
。このパラメータは、半導体吸収体材料断面値（σabs）によって有効に設定さ
れる。吸収体が異なった場の強度を見るように設計を尺度決めすることによって
、ＳＥＳＡＭデバイスの有効飽和フルーエンスを変更することが可能であるが、
これは、材料の損傷または複数のパルスによって設定される限界より上にフルー
エンス比を増大させることを可能としないであろう。
【００２４】 吸収体飽和フルーエンスを低減するための可能な方法は、励起子効果を用いる
ことであろう。なお、材料を温度同調させることにより、比較的狭い光の周波数
範囲を有する、励起子効果を調整することが可能である。したがって、ＳＥＳＡ
Ｍデバイス全体を温度同調させることによりＳＥＳＡＭデバイスの変調深度を最
適化することが可能であり、その変調深度を最大にすることはレーザ空洞共振器
においてである。それにより最大繰返し率に対して受動モード同期開始を微調整
することが可能であるので、これは有利である、すなわち、低い変調深度である
が、それが受動モード同期を開始するのに十分な変調ではあるが、レーザのＱス
イッチを開始するのには十分ではない変調のみを与えるように調整された、デバ
イスを使用することができる。
【００２５】 飽和フルーエンスを低減する別の可能な方法は、基本的に異なった断面値を有
する異なった吸収体材料を使用することである。現在のところ、これは、ＩｎＧ
ａＡｓ、または、所望の波長での吸収を達成するためにインジウム濃度のさまざ
まなドーピングレベルでの同様の半導体の組合せに典型的には依拠するＳＥＳＡ
Ｍデバイスの製造上の性質のために、限られている。この材料システムは、ほぼ
一定の飽和断面を有する。
【００２６】 ＳＥＳＡＭフルーエンス比を向上させるよう最適化可能である多数の材料パラ
メータがある。まず、ＳＥＳＡＭ吸収体の適切なドーピングにより、所与の吸収
体厚さに対して変調深度を増大させることができ、反対に、一定の変調深度を維
持するためにより短い吸収体を可能とするが、これは低減された固定損失を可能
にし、その結果レーザ動作はより効率的となる。第２に、ＳＥＳＡＭデバイスの
表面を不動態化してその損傷しきい値を向上させ、より高いフルーエンスでのＳ
ＥＳＡＭの動作を可能にすることが可能である。
【００２７】 レーザの繰返し率を最大化するためにＳＥＳＡＭデバイスの設計を最適化する
技術も多数ある。ＳＥＳＡＭに関する基本的設計問題を検討する。基本的には、
それらは、典型的には４分の１波長層および２分の１波長層に配置されミラー構
造を形成する、非吸収体誘電体層の組合せである。ミラー構造の実質的に劣化す
る反射率なしに、フィルタ構造全体が適切に設計される限り、吸収体層は、４分
の１波長層構造または２分の１波長構造のいずれにおいても埋込可能である。な
お、増大した動作帯域幅を導入するために、またはミラーの何らかの分散機能を
導入するために、「チャープト」（chirped）層厚さを備えるミラー構造を設計
することも可能である。
【００２８】 構造体における吸収体の位置は、デバイスパラメータを設定するのに重要な役
割を果たし得る。基本的には、デバイスの飽和フルーエンスは、下式によって設
定される。
【００２９】 Ｆsat,eff＝Ｆsat,mat／ζ （３） 式中、Ｆsat,effは、ＳＥＳＡＭの有効飽和フルーエンスであり、Ｆsat,matは
吸収体材料の飽和フルーエンスであり、ζは、フィネスファクタ（finesse fact
or）である。（Ｕ．ケラーによる「超高速全固体レーザ技術」（“Ultrafast al
l-solid-state laser technology”）、Applied Physics. B、第５８巻、第３４
７〜３６３頁、１９９４年、参照）Ｆsat,effに影響を与えるにはいくつかの方
法がある。吸収体を低い光の場（optical field）の領域に位置決めすることに
より、デバイスの有効飽和フルーエンスを増大させ、変調深度を対応して低減す
ることができる。変調深度は、吸収体の厚さによって独立的に調節可能である。
なお、吸収体の厚さがデバイスの定常光波の長さに匹敵するものとなると、有効
飽和フルーエンスも増大し始める。変調深度を増大させながらより低い有効飽和
フルーエンスを維持するための技術の１つは、２つ以上の適切な層に定常波のピ
ークで複数の吸収体層を位置決めすることである。
【００３０】 なお、吸収体を保持する層の上部に反射層を加えることにより、ＳＥＳＡＭの
有効飽和フルーエンスを増大させることも可能である。ある種の誘電体は半導体
材料よりも高い損傷しきい値を有するので、耐損傷誘電体を備える構造の上部層
と、次に吸収体層と、その下に半導体誘電体構造とを有することが有利であろう
。
【００３１】 適切な上層のパッシベーション層によって半導体デバイスの損傷しきい値を向
上させることも可能である。このパッシベーション層は、酸素および他の汚染物
質が半導体構造に入り込むことを防ぎ、デバイスの表面上に既に存在するであろ
ういかなる汚染物質をも適所に保持もする。同時に、パッシベーション層は非常
に薄いものとすることができ、そのためにそれは光学的に透明でありデバイスの
反射率および吸収構造に実質的に影響しない。たとえば典型的なパッシベーショ
ン層は、ＳＥＳＡＭデバイスの最終表面の上に、それがその製造チャンバに移動
され起こり得る汚染物質に晒されてしまうより前に、２ｎｍのＳｉを堆積するも
のであろう。半導体レーザデバイスのためのパッシベーション技術は、ＵＳ−５
，１４４，６３４、ガッセ（Gasser）らによる「半導体レーザダイオードのミラ
ーパッシベーションのための方法」（“Method for mirror passivation of sem
iconductor laser diode”）によって開示されている。
【００３２】 次に、レーザ材料におけるフルーエンス比を増大させることを検討する。結晶
中のレーザビームのフルーエンスを増大させることに対する主な限界は、ポンプ
レーザによって設定されるモード整合要件によって制限される（Ｄ．コフ（D. K
opf）らによる「高平均出力ダイオードポンプフェムト秒Ｃｒ：ＬｉＳＡＦレー
ザ」（“High-average-power diode-pumped femtosecond Cr:LiSAF lasers”）
、Applied Physics. B、第６５巻、第２３５〜２４３頁、１９９７年を参照）。
レーザ結晶に対する損傷が非常に高いフルーエンスレベルで生じ得る可能性があ
るが、名目上、この限界（Ｎｄ：ＹＡＧにおける１０ｐｓパルスについて約１０
０ｍＪ／ｃｍ2）まで近くでは作動させない。しかしながら、ＳＥＳＡＭの飽和
フルーエンスと対照的に、レーザ結晶を変更することにより飽和フルーエンスを
変更することができる。過去に使用された典型的なレーザ結晶は、Ｎｄ：ＹＡＧ
、Ｎｄ：ＹＬＦおよびＮｄ：バナジン酸塩を含んでいた。表１は、約１０６４ｎ
ｍのさまざまなネオジミウムホストの放出断面の典型値を示す。表１に示すよう
にレーザ断面σと比べ、Ｎｄ：バナジン酸塩は実質的により高い断面を有し、し
たがってより低い飽和フルーエンスを有することがわかる。したがって、他の典
型的なＮｄドープト結晶と比べてＱスイッチ良度指数（figure of merit（ＦＯ
Ｍ））を最小にするためにこの結晶が最良の選択肢の１つである。
【００３３】
【表１】
【００３４】 次の検討は、レーザ結晶中のレーザモードのフルーエンスである。ここで、主
な制限は、適切なモード整合によって設定される条件によって与えられる。効率
的な光学ポンピングのために、レーザモードとのポンピングビームのオーバーラ
ップは、一般的には、結晶中の吸収長さを超えて高くなければならない。この目
的のために、（理想的でない）ポンピングビームの共焦パラメータを、結晶の吸
収長さにおおよそ等しいものに設定することが公知であり、これをモード整合と
呼ぶ。この条件は、ポンプビーム胴部直径がある下限よりも上でなければならな
いことを意味する。レーザモード胴部サイズは、ポンピングビーム胴部サイズに
整合される。後者は、注意深く最適化されなければならない。もしそれが小さす
ぎれば、より次数の高い空間モードがレーザ共振器において励起され、もしそれ
が大きすぎれば、小信号利得が減少し、レーザしきい値が増大し、レーザは十分
に効率的でないかまたはしきい値に達しさえもしないかのいずれかである。なお
、モード整合は、レーザ結晶中の飽和フルーエンスを低減する、すなわちレーザ
フルーエンス比を向上させる。（Ｄ．コプフらの「高平均出力ダイオードポンプ
フェムト秒Ｃｒ：ＬｉＳＡＦレーザ」、Applied Physics. B、第６５巻、第２３
５〜２４３頁、１９９７年を参照）。
【００３５】 Ｎｄ：バナジン酸塩は、モード整合にとって別の重要な利点を有する−それは
、Ｎｄ：ＹＡＧまたはＮｄ：ＹＬＦに対してポンプ波長で非常に強く広いポンプ
吸収を有する。さらに、それは３％を超えるレベルまでＮｄによってドープ可能
であるが、これが増大したポンプ吸収をさらに可能にする。３％ドープトＮｄ：
バナジン酸塩における典型的な吸収長さは約１００μｍである。これにより、強
く焦点合わせされたポンプレーザとのモード整合を達成することが可能になり、
最小可能ポンプ直径、およびしたがってレーザ結晶中の最小可能レーザモード直
径を可能にする。これは、レーザ結晶中の実質的により高いレーザフルーエンス
を可能にする。より大きい断面およびより低い飽和フルーエンスと組合さって、
これらの効果は、レーザ中の実質的に増大したフルーエンス比、およびしたがっ
て、Ｎｄ：ＹＡＧまたは他の従来のレーザ材料と比べてＱスイッチ不安定性の発
現に対して改良された良度指数をもたらす。
【００３６】 さらに、最高可能空間的明るさを備えるレーザダイオードを使用することが望
ましい、ここで明るさとは、光の立体角と放出開口領域との積に比例して放出さ
れる光の量と理解される。所与の波長および出力レベルについて、最も高い明る
さの光は、所与の放出領域からの最小可能立体角での光に対応する、「回折限界
」（“diffraction limited”）である。これは、Ｍの２乗因数（Ｍ2）によって
も特徴付けられる（たとえば、Ｍ．Ｗ．サスネット（M. W. Sasnett）による「
多モードレーザビームの伝搬−Ｍ2因数」（“Propagation of multimode laser
beams-the M2 factor”）、The Physics and Technology of laser resonators,
D.R. Hall, P.E. Jackson版、ＮＹ、１９８９年、第１３２〜１４２頁を参照）
。Ｍ2＝１であるとき、光は回折限界される。Ｍ2のより大きい値は、光が回折限
界の何倍上にあるかを示す。高輝度レーザダイオードの現在の最新技術の代表例
は、８０８ｎｍで放出し、（球欠面（sagittal plane）において）１００μｍ×
（接平面（tangential plane）において）１μｍの開口から最大２Ｗの平均出力
を与え、ビーム拡散がそれぞれ約１０°×３５°で、それぞれ約２０×１のＭ2
因数をもたらすデバイスである。高輝度レーザダイオードは、式（２）の条件が
より簡単に達成されることを可能にし、および／またはより高い平均出力をもた
らすレーザのより高い出力結合を可能にする。
【００３７】 これらの結果を一般化することができる。ポンプダイオードのモード整合によ
って制限されるようにレーザ結晶中のレーザモードサイズを可能な限り減少させ
、利用可能な最も高い輝度のポンプダイオードを選択し、最大可能断面および大
きいポンプ吸収係数を有するレーザ材料を選択することによりレーザ飽和フルー
エンスを減少させ、吸収体のフルーエンスを最大にし、かつ、可能であれば吸収
体の飽和フルーエンスを最小にすることにより、受動モード同期レーザシステム
でより高いレーザ繰返し率を達成することが可能である。
【００３８】 残りの可能性は、吸収体の変調深度ΔＲを減少させることである。上述したよ
うに、ここでの主な制限は、モード同期を開始し維持するために必要とされる最
小の変調深度である。残念ながら、モード同期プロセスを開始するために必要と
される最小の変調深度を評価するための簡単な分析形式はまだない。しかしなが
ら、開始しきい値は、レーザ設計、およびそれがしきい値の何倍上でポンピング
されるかなどのいくつかの効果、ならびにレーザ空洞共振器にレーザ材料を位置
決めすることによる空間的ホールバーニングの効果に依存することが認められて
いる（Ｂ．ブラウン（B. Braun）らによる「空間的ホールバーニングが増強した
連続波モード同期固体レーザ、第１部：実験」（“Continuous-wave mode-locke
d solid-state lasers with enhanced spatial hole-burning, Part I:Experime
nts”）Applied Physics. B、第６１巻、第４２９〜４３７頁、１９９５年）。
以下のパラグラフにおいてこれらの効果の各々について論じる。
【００３９】 レーザができるだけ強く、すなわち利用可能なポンプ出力で達成可能であるし
きい値を何倍も超えてポンピングされるとき、受動モード同期はよりロバストで
ある（すなわち、より速い組立時間および外部摂動（perturbations）からのよ
り小さい効果で動作する）と言える。これは、しきい値の何倍も上でポンピング
されるとき、レーザはその空洞共振器内の強度における変化により素早く応答す
ることができるという意味に理解することができる。
【００４０】 空間的ホールバーニングの効果は、受動モード同期における自己開始しきい値
を減少させるのにも重要な役割を果たす。この効果は、Ｂ．ブラウンらによる「
空間的ホールバーニングが増強した連続波モード同期固体レーザ、第１部：実験
」、Applied Physics. B、第６１巻、第４２９〜４３７頁、１９９５年において
詳細に記載されている。ここでは重要な点について簡単にまとめる。
【００４１】 第１に、現在のところ連続波モードで走るレーザ空洞共振器について検討する
（すなわち、モード同期素子が除去されてしまっているが、さもなくばそれはモ
ード同期された動作のための典型的なレーザ空洞共振器である）。基本的には、
利得素子が実質的にレーザ空洞共振器の一方の端に置かれているレーザシステム
について、空間的ホールバーニングによる自走レーザモードの周波数分離は、利
得が実質的に空洞共振器端から離れている（典型的には少なくとも数センチメー
トル）レーザシステムと比べて、実質的に増大される。たとえば、典型的な「中
央部利得」（“gain-in-the-middle”）レーザシステムにおいて、自走モードの
間隔は、縦方向モード間隔（空洞共振器の自由スペクトル領域ＦＳＲ＝ｃ／２Ｌ
）の１倍または数倍のみである、たとえば、１００ＭＨｚのＦＳＲで典型的なモ
ード同期レーザにおいて数百メガヘルツのオーダである。典型的な「端部利得」
（“gain-at-the-end”）レーザシステムにおいて、自走レーザモードの間隔は
、空洞共振器のＦＳＲの何倍もであり、典型的にはＦＳＲの１００から２００倍
であり、たとえば、１００ＭＨｚのＦＳＲで典型的な「端部利得」モード同期レ
ーザにおいて約２０ＧＨｚである。
【００４２】 これらの「自走縦方向モード」は、受動モード同期における開始および組立プ
ロセスにおいて役立つことができる。このプロセスを以下のように説明すること
ができる。（「中央部利得」レーザとほぼ同様に）理想的な均一に広がったレー
ザにおいて、レーザは単一（またはいくつかの間隔の詰まった）モードで動作し
始める。このモードが可過飽和吸収体に当った後、それは、他の縦方向モードが
「シード（seed）」され成長し始めるように変調される。これらのモードの各々
は、変調され、他の隣接する縦方向モードをシードする。このプロセスは成長し
続け、それが、吸収体の変調深度とレーザ遷移の中心から周波数において分離さ
れている最も遠いモードについてのレーザ遷移の利得における減少との間で均衡
がとれている、定常状態に達するまで、益々多くの縦方向モードをシードする。
この定常状態は、モード同期レーザの最終動作帯域幅を設定もし、したがって最
小の動作パルス幅を設定する。
【００４３】 しかしながら、「端部利得」レーザにおいて、このモード同期プロセスは、初
期の広く間隔のあけられた自走モードに対して増強される。１つのみのモードが
走ることで始まる代わりに、自走モードの各々は、吸収体によって変調され、こ
れらが近傍のグループから始まった他のモードとオーバーラップするように成長
するまで、近隣のレーザモードをシードする。モード同期プロセスは、理想的な
均一に広がった場合と比べてそれほど多くの周波数空間を満たす必要がないので
、モード同期組立時間は減じられ、システムの定常状態帯域幅は増大し、その結
果パルス幅が短くなる。これは、上記のブラウンの文献に実験的に確認されてい
る。
【００４４】 繰返し率の高いレーザについて、「端部利得」効果を用いて自己開始しきい値
を低減し、吸収体の変調幅をさらに減少させ、式（２）に従ってＱスイッチのた
めのしきい値を向上させることが有利である。
【００４５】 結晶の長さおよびドーピングにより「端部利得」空洞共振器における自走モー
ドの周波数間隔を設計することも可能である、すなわち、Δｆ＝ｃ／２ｎｌgで
あり、式中Δｆはモードの周波数分離であり、ｃは光の速度であり、ｎは結晶の
屈折率であり、ｌgは、レーザモードが位置している結晶の長さである。次に、
レーザ空洞共振器の複数のＦＳＲ（すなわち繰返し率）であるようにモード間隔
を設計することが可能である。これは、近傍の縦方向モードのより強いオーバー
ラップのために自己開始および受動モード同期をさらに増強させるはずである。
たとえば、実質的に２０ＧＨｚの自走モード間隔を与えるように選択された結晶
長さおよびドーピングで、５ＧＨｚの繰返し率のレーザを設計することが可能で
あろう。これは、所与の自走モードからの第４のモードが実質的に別の自走モー
ドとオーバーラップし、モード同期プロセスを増強させるであろうことを意味す
るだろう。これが不十分に選択されたならば、たとえば２２．５ＧＨｚの自走モ
ード間隔であったならば、所与の自走モードから離れる第８のモードまでモード
はオーバーラップしないであろう。自己開始およびＱスイッチ基準がより困難と
なり、繰返し率が自走モード分離の近似（ほぼ２の因数以内）である、レーザ繰
返し率が１０ＧＨｚの範囲より上に増大するとき、この技術は特に有用であり得
る。
【００４６】 典型的には、０．５％から１％の範囲の変調深度を用いて、自己開始を達成し
ながら、ギガヘルツ以下の範囲のレーザについてのＱスイッチ不安定性限界をな
おも回避する。上記の効果を用いるために空間的ホールバーニングに対してレー
ザ結晶の最適化は、ＳＥＳＡＭからの低減された変調深度を可能にし、実質的に
０．５％より下の変調深度での信頼性の高い自己開始を可能にするが、これは１
ＧＨｚよりかなり上の繰返し率について有利であろう。
【００４７】
【好ましい実施例の説明】
ある実施例において、この発明は、高輝度ダイオードレーザよってポンピング
されるＮｄ：バナジン酸塩（Ｎｄ：ＹＶＯ5）のレーザ結晶および１％未満の変
調深度を有するＳＥＳＡＭデバイスを使用する。図１を参照し、約１００μｍ×
１μｍの開口サイズから最大２Ｗの８０８ｎｍレーザ光１０を放出する、高輝度
ダイオードレーザ１（ポラロイド（Polaroid）部品番号２０００−８０８−ＢＦ
Ｙ−ＢＷ−ＭＣＬ）は、マイクロレンズ１１で、その大きく発散する（球欠）軸
においてコリメートされる（平行にされる）。次に、光１０は、２つのアクロマ
チックレンズ１２、１３（それぞれ、焦点距離１００ｍｍおよび５０ｍｍ）によ
り結像され、これは、接平面において約８０μｍおよび球欠面において約５０μ
ｍ未満の直径まで光を焦点合わせする。光１０の焦点において、約１．２Ｗのポ
ンプ出力が、名目上８０８ｎｍのポンプ波長で測定されたが、これは、レーザ利
得素子を光学的にポンピングするために利用可能となる。ポンプダイオードレー
ザ１は、２．２Ａの駆動電流で最大出力を達成し、０．３２Ａのしきい値で光１
０を出力し始める。
【００４８】 Ｎｄ：バナジン酸塩（３％のＮｄを含有する）レーザ結晶２が、ポンプ光の焦
点の近くに挿入される。結晶は、断面で３×３ｍｍ2の寸法を有し、光学軸２０
の方向に結晶の中心に沿って４ｍｍの公称長さを備える。光学軸２０は、平坦な
３×３ｍｍ2の裏面２２に対して法線であり、裏面２２は、８０８ｎｍのポンプ
波長で高透過性（ＨＴ）である（約８０％以上の透過性）、標準の光誘電体コー
ティング膜を有し、かつ、１０６４ｎｍのレーザ波長について高反射性（ＨＲ）
（典型的には９９．９％より大きい反射率）でもある。レーザ結晶２の前面２１
は切断され研磨され、非常に低い光の損失（典型的には０．１％未満）を有する
コーティングされていない表面を提供する、接平面においてブルースター角に名
目上等しい角度を形成する。Ｎｄ：バナジン酸塩は、周知のレーザ結晶材料であ
り、その特性は、米国フロリダ州のターポンスプリングスのＶＬＯＣ、または中
国福建のCasixなどのさまざまな会社からのデータシートに見出すことができる
。
【００４９】 レーザ共振器空洞３．１は、一方の端のレーザ結晶２と、２つの凹面湾曲折り
畳みミラー３１、３２と、レーザ空洞共振器３．１の他方の端を形成するＳＥＳ
ＡＭデバイス４とによって形成される。ミラー３１、３２の曲率、およびミラー
から空洞共振器３．１の平らな端２１、４１までの距離を適切に選択することに
より、レーザ結晶２の光モードサイズおよびＳＥＳＡＭ４の光モードサイズを調
節することが可能である。この設計手順は、たとえば、１９８６年、Millvalley
(CA) University of Scienceの、Ａ．Ｅ．シーグマン（A. E. Siegman）による
レーザ（Lasers）に記載される周知のＡＢＣＤマトリックス技術を用いる。
【００５０】 ある具体的な実施例において、２５ｍｍの曲率の半径、９９．６％の反射率（
レーザビームがここで空洞共振器から出て部分的に結合することを可能にする）
を有するように第１の湾曲ミラー３１と、高い反射率（Ｒ＞９９．９％）を備え
る２５ｍｍの曲率の半径を有するように第２のミラー３２とを選択する。レーザ
結晶２の前面２１から第１のミラー３１までの距離は約１５ｍｍであり、第１の
ミラー３１から第２のミラー３２までの距離は４０ｍｍであり、第２のミラー３
２からＳＥＳＡＭ４までの距離は８ｍｍである。これにより、２．０９ＧＨｚの
公称自由スペクトル領域（すなわちレーザ繰返し率）に対応する、約７１．６ｍ
ｍの公称合計空洞共振器長さが得られる（Ｎｄ：バナジン酸塩結晶２の有効長さ
、すなわち、４ｍｍのその長さの、屈折率ｎ＝２．１５倍＝８．６ｍｍが考慮さ
れる）。
【００５１】 空洞共振器中のレーザモードの公称設計半径は、Ｎｄ：バナジン酸塩結晶２中
で２５μｍ×５０μｍであり（この非対称は、結晶２上のブルースター角表面２
１によるレーザモードの長さ決めによるものである）、ＳＥＳＡＭ４上で約４０
μｍの円である。
【００５２】 第１の湾曲ミラー３１は、９９．６％の公称反射率を有するが、これは、２つ
のビーム５１、５２が名目上等しい出力でレーザ空洞共振器３．１から出ること
を可能にする。この構成では、典型的には、出力ビーム５１、５２当り１００か
ら２００ｍＷの平均出力（すなわち、２００から４００ｍＷの合計出力）を達成
した。
【００５３】 なお、図１に示すように、出力カプラとしてミラー３１を使用する必要はない
。レーザ波長で部分的に透過するようにレーザ結晶２上にコーティングを設計す
ることにより（図１１参照）１つのみ出力ビーム５０を有し、その後に２色性ビ
ームスプリッタ５３（すなわち、１０６４ｎｍのレーザ波長でほぼ１００％を反
射するが、たとえば、８０８ｎｍでポンプ光１０の９０％より多くを透過するミ
ラー）を使用してレーザ出力ビーム５０とポンプビーム１０とに分離することが
可能であり望ましくもある。この発明に従うレーザのこの実施例を図２に示す。
１００ＭＨｚまたは２００ＭＨｚのより大きい標準の繰返し率で動作する同様の
構成でこの方策を試験し、図１の実施例とほぼ同じ合計平均出力を達成すること
ができると判断した。
【００５４】 鮮明で次数の最も低い空間的モード（ＴＥＭ00）でのレイジングを達成するよ
う構成要素を適切に位置決めし整列させると、レーザは、それがあるダイオード
電流レベルの上でポンピングされるとき、自然にモード同期し始める。図３は、
光ダイオードが高周波マイクロ波スペクトル分析器（ヒューレットパッカード（
Hewlett Packard）ＨＰ８５６３Ｅ）に入る、図１のレーザに対して測定された
マイクロ波スペクトル９３を示し、図４は、時間的パルス幅を示す光学自己相関
９４を示す。光学自己相関に加えて２ＧＨｚの鮮明なマイクロ波信号は、この繰
返し率での良好なモード同期を示す。なお、従来のオシロスコープで時間領域波
形を測定することは困難である、というのもほとんどが１００ＭＨｚから５００
ＭＨｚの範囲の帯域幅を有するからである。最大約５０ＧＨｚの動作帯域幅のい
わゆるサンプリングオシロスコープを有することが可能である。これらの機器は
、連続的測定値ではなく、波形の周期的なサンプリングされた測定値をとる。
【００５５】 図５は、図１のレーザがＱスイッチモード同期領域において動作しているとき
の対応するマイクロ波スペクトル９５を示す。この実験において、その下でレー
ザがＱスイッチしたしきい値は、０．６Ａのダイオード電流に対応した。
【００５６】 図６において図１に従うレーザのマイクロ波スペクトル９６を示すが、図３に
おいてよりも２５倍スパンが高い。この発表では、２ＧＨｚの第１の高調波９６
．１および４ＧＨｚの第２の高調波９６．２を観察することができ、２ＧＨｚの
繰返し率でのレーザのモード同期を示す。
【００５７】 上述した基本的設計はより高い周波数に尺度決め可能である。４ＧＨｚの名目
上周波数で動作するよう尺度決めされた設計を図７に示す。２つの湾曲ミラー３
１、３２の代わりに、１つのみの湾曲ミラー３３を使用するが、これはまた、レ
ーザ空洞共振器３．２がより高い繰返し周波数で物理的により小さくなると、重
要となる。ポンプダイオード１およびポンプ焦点合わせ光学部品１１〜１３は、
図１の２ＧＨｚレーザ設定においてと本質的に同じである。この特定の実施例で
は、同様の３×３×４ｍｍ3のＮｄ：バナジン酸塩結晶２、半径が１８ｍｍおよ
び反射率が９９．８％の湾曲ミラー３３と、レーザ結晶２からミラー３３までが
１５ｍｍ、ミラー３３からＳＥＳＡＭ４までが約１６ｍｍの距離とが設けられる
。全体の空洞共振器長さは、約３９．６ｍｍであり、３．７８ＧＨｚの期待され
る繰返し率を与える。この構成では、約３．８ＧＨｚの繰返し率でのモード同期
と、２つのビーム５１、５２の各々において約４０ｍＷの出力とを達成した。
【００５８】 図８は、図７のレーザのマイクロ波スペクトル９８を示す。３．６ＧＨｚの繰
返し率が観察された。
【００５９】 さまざまなＳＥＳＡＭ設計が可能である。ＳＥＳＡＭ４．１〜４．３の３つの
例示の設計を図９、図１０および図１１にそれぞれ示す。図９に示す第１の設計
は、それぞれ、低屈折率／高屈折率材料４２．１，…，４２．ｐおよび４３．１
，…，４３．ｐの４分の１波長対からなる誘電体積層ミラー４１（典型的にはブ
ラッグリフレクタと呼ばれる）からなる。これらのミラー４１は、ミラーの当業
者には周知である。具体的設計は、約４００μｍの厚さのガリウム砒素（ＧａＡ
ｓ）基板４０から始まる。まず、低屈折率材料からなる４分の１波長層４２．１
、この場合には、ｎ＝２．９５の屈折率と、約８０ｎｍの厚さ（ＡｌＡｓでは１
０６４ｎｍの４分の１波長に対応する）とを有する砒化アルミニウム（ＡｌＡｓ
）を基板４０の上に堆積する。堆積方法は、典型的には、分子線エピタキシ（Ｍ
ＢＥ）または金属−有機化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）の確立された技術である
。ｎ＝３．４９の屈折率および７６ｎｍの４分の１波長厚さとを有するガリウム
砒素（ＧａＡｓ）からなる高屈折率層４３．１を次に堆積する。典型的には、こ
れは、約ｐ＝２５回（すなわち、低屈折率／高屈折率対の２５倍）繰返される。
そのようなブラッグミラー４１は、その設計波長の中心において典型的には９９
．５％より高く好ましくは９９．９％より高い反射率を与える。入来する光の反
射を矢印５４によって概略的に表わす。
【００６０】 次に、ブラッグミラー４１の上部に透明の２分の１波長スペーサ層４５中に吸
収体層４４を堆積する。透明の２分の１波長スペーサ層４５は、ブラッグミラー
４１の反射率または波長範囲を実質的に修正することはない。スペーサ層４５の
上にはファブリ−ペロミラー要素がないので、この設計は「低フィネス」（low
-finesse）設計と呼ばれる。ある具体的な実施例において、吸収体層４４は、イ
ンジウムガリウム砒素（ＩｎXＧａ1-XＡｓ）であり、インジウムの比ｘは２５％
でありガリウムの比は１−ｘ＝７５％である。これは、半導体吸収体層４４の吸
収バンドギャップを実質的に１０６４ｎｍに設定する。吸収体層４４の厚さは、
ＳＥＳＡＭデバイス４．１の吸収における変化の総量（すなわち変調深度ΔＲ）
を設定する。上述した例では、ＩｎＧａＡｓ吸収体層４４は約１５ｎｍの厚さで
あり、ＧａＡｓからなる２分の１波長スペーサ層４５は、吸収体層４４の１５ｎ
ｍの厚さを含めて合計で１５５ｎｍの厚さを有する。なお、スペーサ層４５と比
較された、吸収体層４４の異なった屈折率およびその厚さは、完成した２分の１
波長層の厚さを設計するために考慮されなければならないが、大抵の設計につい
てこの僅かな差は無視できるものである。
【００６１】 吸収体層４４は、吸収体層４４の位置を２分の１波長層４５内に選択すること
によって、ブラッグリフレクタ４１内の光ビームの電場における任意の点に位置
決め可能である。典型的には、２分の１波長層４５の電場は、一方の端で実質的
に０で始まり、中央で最大まで増加し、出口表面で実質的に０にまで減少する。
吸収体層４４を２分の１波長層４５の実質的に中央に位置決めすることにより、
所与の入射光強度について吸収体４４の最大飽和を達成し、また、ＳＥＳＡＭ４
．１について最小の有効飽和フルーエンスを達成する。しかしながら、吸収体層
４４を２分の１波長スペーサ層４５のいずれかの端により近づけて位置決めする
ことにより、デバイス４．１の変調深度を低減することが望ましい可能性がある
。もし吸収体層４４が２分の１波長スペーサ層４５の最端に効果的に位置決めさ
れれば、電場の強さは０に近づき、吸収体４４の変調深度および有効飽和も０に
近づく。
【００６２】 吸収体層の厚さが、量子井戸効果が測定可能である値に近づくということが注
目に値する。測定可能な励起子があれば、これは、吸収体層４４の飽和フルーエ
ンスを最適化するように温度により調整可能である。なお、しかしながら、量子
井戸効果は適切なＳＥＳＡＭ動作について必須のものではなく、吸収体層の厚さ
は、所望の変調深度ΔＲを達成するよう選択されるパラメータである。
【００６３】 半導体スペーサ層４５の表面を不動態化し保護すること、すなわち、汚染物質
およびオキシダント（酸化剤）が半導体材料の光学的質を劣化させる可能性を防
ぐことも望ましいかもしれない。この場合には、シリコン（Ｓｉ）などの材料か
らなる非常に薄い層４６を最終の半導体層４５の上部に直接に置くことが可能で
ある。このパッシベーション（または保護）層４６が非常に薄ければ、それは、
ＳＥＳＡＭデバイス４．１の光学特性を実質的に変更することはない。しかしな
がら、それは、上層を十分に保護し不動態化するであろう。たとえば、それがＭ
ＢＥまたはＭＯＣＶＤシステムにおいて製造された後に、ＳＥＳＡＭ４．１の上
表面の上に、数ナノメートル（典型的には２から２０ｎｍ、好ましくは２から４
ｎｍ）のシリコンを直接堆積することができる。このコーティングステップは、
ＳＥＳＡＭデバイス４．１がコーティングチャンバ（高真空下にある）から取除
かれてしまうより前に、かつ、それが起こり得る汚染物質およびオキシダント（
たとえば、室内空気内の酸素および水蒸気）に晒されてしまうより前に、同じシ
ステムにおいて実施可能である。パッシベーション層４６により、損傷が生じる
より前により高い光学強度でＳＥＳＡＭデバイス４．１を動作させることができ
、これは、ＳＥＳＡＭデバイス４．１のフルーエンス比を向上させることにより
、式（１）によって表わされるようにより高い繰返し率のモード同期を達成する
ことを促進する。
【００６４】 図１０は、多くの可能性あるＳＥＳＡＭ設計の第２の変形を示す。この例では
、それぞれ、低屈折率および高屈折率からなる４分の１波長層４８．１，…，４
８．ｑ，４９．１，…，４９．ｑのさらなる対が、上部ミラー４７を形成するた
めに、半導体４６の上部に加えられる。上部ミラー４７と下部ミラー４１との間
に形成されたファブリ−ペロ構造のために、結果として得られたデバイスは、「
高フィネス」（high-finesse）ＳＥＳＡＭ４．２と呼ばれる。ファブリ−ペロ構
造は、吸収体層４４における光の場の強さを低減し、（同じ吸収体の厚さについ
て）図９の先の例と比べて変調深度を低減する。この例では、低屈折率層４８．
１，…，４８．ｑは、二酸化シリコンの標準の４分の１波長層（ＳｉＯ2，ｎ＝
１．４５）からなり、高屈折率層４９．１，…，４９．ｑは、二酸化チタンの標
準の４分の１波長層（ＴｉＯ2，ｎ＝２．２５）からなる。この設計に関する別
の可能性ある利点は、誘電体材料４８．１，…，４８．ｑ，４９．１，…，４９
．ｑが、半導体材料４５より高い損傷しきい値を有し、またそれが半導体表面を
不動態化しかつ保護することである。
【００６５】 なお、さらなる誘電体層を加えることの他に、半導体４５の表面を不動態化す
る他の方法がある。１つの可能性は、図９を参照して記載するように、薄いシリ
コン層４６で半導体４６の表面をコーティングすることである。変調深度をより
大きく保ちおよび／または飽和フルーエンスを可能な限り小さく保つことが望ま
しいとき、これは有利であり得、これは式（１）によって記載されるようにより
高い繰返し率でのモード同期を促進する。
【００６６】 図１、図２および図７においてのように、図９および図１０のＳＥＳＡＭデバ
イス４．１、４．２を高反射率を備えるリフレクタとして使用するように設計す
る。９９．５％または９９．９％の典型的な高リフレクタ値よりも小さい任意の
所望の反射率を有するよう任意のＳＥＳＡＭデバイスの下部ブラッグリフレクタ
４１を設計することも可能である。ＳＥＳＡＭの基板４０は典型的にはガリウム
砒素であるので、１０６４ｎｍの典型的なレーザ波長は実質的には基板４０を透
過する。そのため、ＳＥＳＡＭ４も出力カプラとして設計することができ、これ
は、ポンプダイオードとレーザ結晶との間の２色性ビームスプリッタをなくすこ
とによりシステムの複雑さを低減することができる。図１１は、出力カプラとし
て使用されるよう設計されたＳＥＳＡＭ４．３の一例を示す。この第３のＳＥＳ
ＡＭの実施例４．３の構造は、図９に示すものと同様であるが、ただし以下の差
がある。９９．５％より高い高反射率の代わりに、この出力カプラＳＥＳＡＭ４
．３のブラッグリフレクタ４１は、典型的には９９．５％より低い比較的低い反
射率を有するよう調節される。さらに、ＧａＡｓ基板４０の反対側の端表面に反
射防止コーティング膜６１を付与し、この界面において大きな望ましくないフレ
ネル反射を低減する。標準の反射防止コーティング膜６１は、典型的には、それ
ぞれ、低屈折率／高屈折率の対６２．１，…６２．ｒおよび６３．１，…，６３
．ｒの積層からなり、光学コーティングの技術において周知である。透過された
光を矢印５５によって概略的に表わす。
【００６７】 上述したレーザ空洞共振器３．１、３．２は、実験室環境において別個の構成
要素を用いて示された。しかしながら、準モノリシックとなるさらにより簡単な
システムを設計することも可能である。ここで、Ｎｄ：バナジン酸塩の高屈折率
を用いて空洞共振器の物理的長さを短くすることができるということから、利点
が得られる。図１２は、４ＧＨｚ繰返し率に対して設計された準モノリシック空
洞共振器１０３．１を示す。ある実施例では、Ｎｄ：バナジン酸塩レーザ結晶１
０２の一方端１２２は、ある曲率を有するよう研磨可能である。この曲率は、空
洞共振器１０３．１の光学モードのサイズおよびＳＥＳＡＭ１０４のサイズを設
定するよう選択可能である。この空洞共振器１０３．１は先の空洞共振器３．１
、３．２よりも小さい設計柔軟性を有するが、それでも式（１）に基づくモード
同期に必要な条件を達成することが可能である。さらに、ＳＥＳＡＭ１０４の変
調深度は、必要に応じて先に記載したように独立的に調節可能である。
【００６８】 なお、この準モノリシック設計の可能な重要な変形がいくつかある。まず、適
切なモードサイズで安定したレーザモードを形成するのに十分な熱レンズ効果（
thermal lensing）が所与のポンプ出力においてあるのならば、湾曲表面１２２
を省略し平らな表面と置き換えることが可能である。この変更は、レーザ結晶の
製造をより簡単にかつより低コストなものとし得る。第２に、ドープされたＮｄ
：バナジン酸塩結晶１０２の部分を、図１３に示すように空洞共振器１０３．２
の一方の端のドープされていないバナジン酸塩結晶１２３と置き換えることが望
ましいかもしれない。これは、より高いポンプ出力および対応してより高い出力
を可能とするはずである。バナジン酸塩のドープされていない部分１２３は、拡
散結合の周知の技術を用いてドープトされた部分１０２に直接結合可能であるが
、これにより機械的に強く光学的に鮮明な界面が得られる。このドープされてい
ない部分１２３は、ポンプ出力が吸収されるドープされた結晶１０２のためのよ
り良好なヒートシンクとして働き、温度勾配および温度上昇を低減する。さらに
、接触した結晶からの機械的圧力は、ポンプからの加熱のため、ドープされた結
晶１０２の熱的に誘導されたふくらみを低減する。これは、レーザ結晶１０２に
おいて熱的に誘導されたレンズ効果を低減し、図１２に示す構成１０３．１と比
べてより高い出力へのポンピングを可能にする。
【００６９】 なお、拡散結合などの技術により、ＳＥＳＡＭデバイス１０４もＮｄ：バナジ
ン酸塩レーザ結晶１０２の上に直接結合することが可能である。これは、空洞共
振器のサイズを低減しシステムをより機械的にロバストなものとすることをさら
に促進する。
【００７０】 さらにより高い周波数で動作する空洞共振器を設計することも可能である。図
１２または図１３の空洞共振器設計１０３．１、１０３．２は、レーザモードサ
イズを設定するために、より短い長さおよび湾曲端１２２上の適切により小さい
曲率に容易に尺度決め可能である。そのような尺度決めにより、対応してより高
い繰返し率を達成することができる。１０ＧＨｚより高い繰返し率は、式（１）
の条件を満たす限り、この方策で可能であるはずである。計算では、これは、現
在のところ利用可能であるダイオードレーザおよび最適化されたＳＥＳＡＭ設計
で実現可能であるということが示されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に従う２ＧＨｚレーザの実施例の図である。
【図２】 この発明に従う２ＧＨｚレーザの実施例の図である。
【図３】 図１のレーザの測定されたマイクロ波スペクトルの図である。
【図４】 図１のレーザの自己相関の図である。
【図５】 Ｑスイッチを示すマイクロ波スペクトルの図である。
【図６】 第１および第２の高調波を示す図１のレーザの測定されたマイク
ロ波スペクトルの図である。
【図７】 この発明に従う４ＧＨｚレーザの図である。
【図８】 図６のレーザのマイクロ波スペクトルの図である。
【図９】 この発明に従うレーザのための可能なＳＥＳＡＭ設計の図である
。
【図１０】 この発明に従うレーザのための可能なＳＥＳＡＭ設計の図であ
る。
【図１１】 この発明に従うレーザのための可能なＳＥＳＡＭ設計の図であ
る。
【図１２】 この発明に従うレーザのための準モノリシックレーザ空洞共振
器のための可能な設計の図である。
【図１３】 この発明に従うレーザのための準モノリシックレーザ空洞共振
器のための可能な設計の図である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１３年４月１２日（２００１．４．１２）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ， ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｒ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ， ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，Ｋ Ｚ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ， ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，Ｓ Ｋ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (26)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 有効波長によって特徴づけられる電磁放射パルスの連続波列
    を放出するためのレーザであって、放出されたパルスの基本繰返し率は１ＧＨｚ
    を超え、前記レーザは、 光共振器と、 前記光共振器内に置かれる固体レーザ利得素子と、 有効波長によって特徴づけられる電磁放射を放出するために前記レーザ利得素
    子を励起するための手段と、 可飽和吸収体を含む受動モード同期のための手段とを含む、レーザ。
  2. 【請求項２】 前記レーザ利得素子は、有効波長で０．８×１０-18ｃｍ-2
    を超える誘導放出断面を備えるレーザ材料からなる、請求項１に記載のレーザ。
  3. 【請求項３】 前記レーザ利得素子はＮｄ：バナジン酸塩からなる、請求項
    ２に記載のレーザ。
  4. 【請求項４】 前記可飽和吸収体は、半導体可飽和吸収体ミラーデバイスで
    ある、請求項１に記載のレーザ。
  5. 【請求項５】 前記可飽和吸収体ミラーデバイスは、低フィネス設計を有す
    る、請求項４に記載のレーザ。
  6. 【請求項６】 可飽和吸収体ミラーデバイスは、１％未満、好ましくは０．
    ５％未満の変調深度を有する、請求項５に記載のレーザ。
  7. 【請求項７】 前記可飽和吸収体ミラーデバイスは、高フィネス設計を有す
    る、請求項４に記載のレーザ。
  8. 【請求項８】 前記可飽和吸収体ミラーデバイスは、前記光共振器からの電
    磁放射パルスを出力結合するための出力カプラである、請求項４に記載のレーザ
    。
  9. 【請求項９】 前記可飽和吸収体ミラーデバイスは、レーザ利得素子の一方
    の端に直接結合される、請求項４に記載のレーザ。
  10. 【請求項１０】 前記半導体可飽和吸収体ミラーデバイスは、最適な変調深
    度のために温度により調整される、請求項４に記載のレーザ。
  11. 【請求項１１】 電磁放射を放出するために前記レーザ利得素子を励起する
    ための前記手段は、半導体ダイオードレーザを含み、前記ダイオードレーザの明
    るさおよびレーザ空洞共振器の出力結合値は、積（Ｆlaser／Ｆsat,laser）・（
    Ｆabs／Ｆsat,abs）＞ΔＲのように選択され、式中、Ｆlaserはレーザ材料中の
    フルーエンスであり、Ｆsat,laser＝ｈυ／σlaserはレーザ材料の飽和フルーエ
    ンスであり、ｈはプランクの定数であり、υは中心レーザ周波数であり、σlase r はレーザ断面パラメータであり、Ｆabsは吸収体デバイス上のフルーエンスであ
    り、Ｆsat,abs＝ｈυ／σabs-effは、吸収体の有効飽和フルーエンスであり、σabs-eff は吸収体デバイスの有効断面パラメータであり、ΔＲは吸収体デバイス
    の変調深度である、請求項１に記載のレーザ。
  12. 【請求項１２】 前記光共振器は、第１および第２の端によって境界を定め
    られ、前記レーザ利得素子は、空間的ホールバーニングが自己開始しきい値を増
    強させモード同期組立時間を低減させるように、一方の端に置かれる、請求項１
    に記載のレーザ。
  13. 【請求項１３】 空間的ホールバーニングによる自走縦方向モード間隔が、
    前記光共振器の自由スペクトル領域によって設定されるレーザ繰返し率の整数倍
    数であるように、前記レーザ利得素子の長さが選択される、請求項１２に記載の
    レーザ。
  14. 【請求項１４】 有効波長によって特徴づけられる電磁放射パルスの連続波
    列を放出するための方法であって、パルスは、１ＧＨｚを超える基本繰返し率で
    放出され、前記方法は、 有効波長によって特徴づけられる電磁放射を放出するためにレーザ利得素子を
    励起するステップを含み、 前記レーザ利得素子は光共振器内に置かれ、前記方法はさらに、 前記電磁放射を前記光共振器中で再循環させるステップと、 可飽和吸収体を用いて前記電磁放射を受動的にモード同期させるステップとを
    含む、方法。
  15. 【請求項１５】 前記レーザ利得素子は、有効波長で０．８×１０-18ｃｍ- 2 を超える誘導放出断面を備えるレーザ材料からなる、請求項１４に記載の方法
    。
  16. 【請求項１６】 前記レーザ利得素子はＮｄ：バナジン酸塩からなる、請求
    項１５に記載の方法。
  17. 【請求項１７】 前記可飽和吸収体は、半導体可飽和吸収体ミラーデバイス
    であるように選択される、請求項１４に記載の方法。
  18. 【請求項１８】 前記可飽和吸収体ミラーデバイスは、低フィネス設計を有
    する、請求項１７に記載の方法。
  19. 【請求項１９】 可飽和吸収体ミラーデバイスは、１％未満、好ましくは０
    ．５％未満の変調深度を有するよう選択される、請求項１８に記載の方法。
  20. 【請求項２０】 前記可飽和吸収体ミラーデバイスは、高フィネス設計を有
    する、請求項１７に記載の方法。
  21. 【請求項２１】 前記可飽和吸収体ミラーデバイスは、前記光共振器からの
    電磁放射パルスを出力結合するための出力カプラである、請求項１７に記載の方
    法。
  22. 【請求項２２】 前記可飽和吸収体ミラーデバイスは、レーザ利得素子の一
    方の端に直接結合される、請求項１７に記載の方法。
  23. 【請求項２３】 前記半導体可飽和吸収体ミラーデバイスは、最適な変調深
    度のために温度により調整される、請求項１７に記載の方法。
  24. 【請求項２４】 電磁放射を放出するために前記レーザ利得素子を励起する
    ための前記手段は、半導体ダイオードレーザを含み、前記ダイオードレーザの明
    るさおよびレーザ空洞共振器の出力結合値は、積（Ｆlaser／Ｆsat,laser）・（
    Ｆabs／Ｆsat,abs）＞ΔＲであるように選択され、式中、Ｆlaserはレーザ材料
    中のフルーエンスであり、Ｆsat,laser＝ｈυ／σlaserはレーザ材料の飽和フル
    ーエンスであり、ｈはプランクの定数であり、υは中心レーザ周波数であり、σlaser はレーザ断面パラメータであり、Ｆabsは吸収体デバイス上のフルーエンス
    であり、Ｆsat,abs＝ｈυ／σabs-effは吸収体の有効飽和フルーエンスであり、
    σabs-effは吸収体デバイスの有効断面パラメータであり、ΔＲは吸収体デバイ
    スの変調深度である、請求項１４に記載の方法。
  25. 【請求項２５】 前記光共振器は第１および第２の端によって境界を定めら
    れ、前記レーザ利得素子は、空間的ホールバーニングが自己開始しきい値を増強
    させモード同期組立時間を低減するように、一方の端に置かれる、請求項１４に
    記載の方法。
  26. 【請求項２６】 空間的ホールバーニングによる自走縦方向モード間隔が前
    記光共振器の自由スペクトル領域によって設定されるレーザ繰返し率の整数倍数
    であるように、前記レーザ利得素子の長さが選択される、請求項２５に記載の方
    法。
JP2000596636A 1999-02-01 2000-01-28 繰返し率の高い受動モード同期固体レーザ Withdrawn JP2002536823A (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US09/241,684 1999-02-01
US09/241,684 US6393035B1 (en) 1999-02-01 1999-02-01 High-repetition rate passively mode-locked solid-state laser
PCT/IB2000/000083 WO2000045480A1 (en) 1999-02-01 2000-01-28 High-repetition rate passively mode-locked solid-state laser

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2002536823A true JP2002536823A (ja) 2002-10-29

Family

ID=22911742

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2000596636A Withdrawn JP2002536823A (ja) 1999-02-01 2000-01-28 繰返し率の高い受動モード同期固体レーザ

Country Status (9)

Country Link
US (2) US6393035B1 (ja)
EP (1) EP1149442B1 (ja)
JP (1) JP2002536823A (ja)
AT (1) ATE237877T1 (ja)
AU (1) AU3070500A (ja)
CA (1) CA2359794A1 (ja)
DE (1) DE60002165T2 (ja)
IL (1) IL144404A0 (ja)
WO (1) WO2000045480A1 (ja)

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006344863A (ja) * 2005-06-10 2006-12-21 Fujifilm Holdings Corp モードロックレーザ装置
JP2007129210A (ja) * 2005-10-04 2007-05-24 Fujifilm Corp モードロックレーザ装置。
JP2007208002A (ja) * 2006-02-01 2007-08-16 Ricoh Co Ltd 半導体レーザー励起固体レーザー装置
JP2008028379A (ja) * 2006-06-22 2008-02-07 Fujifilm Corp モードロックレーザ装置
JP2008510322A (ja) * 2004-12-30 2008-04-03 イムラ アメリカ インコーポレイテッド ファイバレーザシステムにおけるモードロックを獲得および維持する方法ならびに装置
JP2008270344A (ja) * 2007-04-17 2008-11-06 Fujifilm Corp 固体レーザ装置
JP2009016607A (ja) * 2007-07-05 2009-01-22 Fujifilm Corp モードロックレーザ装置
EP2180563A1 (en) 2008-10-27 2010-04-28 Fujifilm Corporation Mode-locked laser device, ultrashort pulse light source device, broad bandwidth light source device, non-linear optical microscopy device, non-linear optical microscopy device, recording device and optical coherence tomography device
JP2011066300A (ja) * 2009-09-18 2011-03-31 Shimadzu Corp レーザ共振器
JP2011199324A (ja) * 2004-03-31 2011-10-06 Aisin Seiki Co Ltd パルス高パワーファイバ増幅器システムを制御し保護するための方法と装置。

Families Citing this family (72)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7046711B2 (en) * 1999-06-11 2006-05-16 High Q Laser Production Gmbh High power and high gain saturation diode pumped laser means and diode array pumping device
US6888855B1 (en) * 1999-06-11 2005-05-03 Daniel Kopf Optical system for lasers
AT408589B (de) * 1999-07-07 2002-01-25 Femtolasers Produktions Gmbh Laservorrichtung
US6944201B2 (en) * 1999-07-30 2005-09-13 High Q Laser Production Gmbh Compact ultra fast laser
US20010021215A1 (en) * 1999-07-30 2001-09-13 Udo Bunting Compact ultra fast laser
US6735234B1 (en) * 2000-02-11 2004-05-11 Giga Tera Ag Passively mode-locked optically pumped semiconductor external-cavity surface-emitting laser
JP3858563B2 (ja) 2000-04-05 2006-12-13 株式会社日立製作所 カーレンズモード同期可能な固体レーザー
US6826205B1 (en) * 2000-05-22 2004-11-30 Lightwave Electronics Corporation Etalon enhanced saturable reflector for mode-locked lasers
US7088756B2 (en) * 2003-07-25 2006-08-08 Imra America, Inc. Polarization maintaining dispersion controlled fiber laser source of ultrashort pulses
US7190705B2 (en) 2000-05-23 2007-03-13 Imra America. Inc. Pulsed laser sources
US7158224B2 (en) * 2000-06-25 2007-01-02 Affymetrix, Inc. Optically active substrates
US6658034B2 (en) * 2000-12-13 2003-12-02 Picarro, Inc. Surface-emitting semiconductor laser
US6650685B2 (en) * 2000-11-02 2003-11-18 Raytheon Company Single laser transmitter for Q-switched and mode-locked vibration operation
US6810062B2 (en) * 2001-04-11 2004-10-26 Axsun Technologies, Inc. Passive optical resonator with mirror structure suppressing higher order transverse spatial modes
US7039076B2 (en) * 2001-08-10 2006-05-02 Jds Uniphase Corporation Fiber amplifier system for producing visible light
WO2003028177A1 (en) * 2001-09-24 2003-04-03 Giga Tera Ag Pulse-generating laser
US20030058904A1 (en) * 2001-09-24 2003-03-27 Gigatera Ag Pulse-generating laser
JP4306990B2 (ja) 2001-10-18 2009-08-05 独立行政法人産業技術総合研究所 非線形光学素子
US6538298B1 (en) * 2001-12-10 2003-03-25 Gigatera Ag Semiconductor saturable absorber mirror
US6826219B2 (en) * 2002-03-14 2004-11-30 Gigatera Ag Semiconductor saturable absorber device, and laser
US20030232427A1 (en) * 2002-06-18 2003-12-18 Montagu Jean I. Optically active substrates for examination of biological materials
US7116687B2 (en) * 2003-09-12 2006-10-03 Jds Uniphase Corporation High repetition rate passively Q-switched laser for blue laser based on interactions in fiber
US7711013B2 (en) * 2004-03-31 2010-05-04 Imra America, Inc. Modular fiber-based chirped pulse amplification system
US7804864B2 (en) 2004-03-31 2010-09-28 Imra America, Inc. High power short pulse fiber laser
US7590156B1 (en) 2004-05-17 2009-09-15 University Of Central Florida Research Foundation, Inc. High intensity MHz mode-locked laser
US7415049B2 (en) * 2005-03-28 2008-08-19 Axsun Technologies, Inc. Laser with tilted multi spatial mode resonator tuning element
FI121040B (fi) * 2005-05-10 2010-06-15 Reflekron Oy Moodilukittu kuitulaser
WO2007008727A2 (en) * 2005-07-12 2007-01-18 Gsi Group Corporation System and method for high power laser processing
WO2007038260A2 (en) * 2005-09-23 2007-04-05 Massachusetts Institute Of Technology Systems and methods for force-fluorescence microscopy
US7526004B2 (en) 2005-10-04 2009-04-28 Fujifilm Corporation Mode-locked laser apparatus
WO2007067643A2 (en) 2005-12-06 2007-06-14 Electro Scientific Industries, Inc. Simultaneously mode-locked, q-switched laser
JP2007201411A (ja) * 2005-12-27 2007-08-09 Sanyo Electric Co Ltd 半導体レーザ装置およびその製造方法
US20080020083A1 (en) * 2006-06-06 2008-01-24 Kabushiki Kaisha Topcon Method for joining optical members, structure for integrating optical members and laser oscillation device
EP1870972A1 (en) 2006-06-22 2007-12-26 Fujifilm Corporation Mode-locked laser device
JP5069875B2 (ja) * 2006-06-26 2012-11-07 富士フイルム株式会社 レーザ装置および光増幅装置
US20080273559A1 (en) * 2007-05-04 2008-11-06 Ekspla Ltd. Multiple Output Repetitively Pulsed Laser
JP5319990B2 (ja) * 2007-09-28 2013-10-16 富士フイルム株式会社 モード同期固体レーザ装置
US7864821B2 (en) * 2007-09-28 2011-01-04 Fujifilm Corporation Mode-locked solid-state laser apparatus
JP2009088136A (ja) * 2007-09-28 2009-04-23 Fujinon Corp 負分散ミラーおよび負分散ミラーを備えたモード同期固体レーザ装置
JP2009088138A (ja) * 2007-09-28 2009-04-23 Fujinon Corp 負分散ミラーおよび負分散ミラーを備えたモード同期固体レーザ装置
JP5319989B2 (ja) 2007-09-28 2013-10-16 富士フイルム株式会社 モード同期固体レーザ装置
JP2009088137A (ja) * 2007-09-28 2009-04-23 Fujinon Corp 負分散ミラーおよび負分散ミラーを備えたモード同期固体レーザ装置
WO2009076967A1 (en) * 2007-12-18 2009-06-25 Koheras A/S Mode-locked fiber laser with improved life-time of saturable absorber
US8194709B2 (en) * 2008-06-11 2012-06-05 Massachusetts Institute Of Technology High-repetition-rate guided-mode femtosecond laser
JP5456992B2 (ja) 2008-06-20 2014-04-02 富士フイルム株式会社 モード同期固体レーザ装置
JP5456994B2 (ja) * 2008-06-20 2014-04-02 富士フイルム株式会社 モード同期固体レーザ装置
JP5456993B2 (ja) 2008-06-20 2014-04-02 富士フイルム株式会社 モード同期固体レーザ装置
JP2010103291A (ja) * 2008-10-23 2010-05-06 Fujifilm Corp モード同期レーザ装置
JP2010258198A (ja) 2009-04-24 2010-11-11 Fujifilm Corp モード同期固体レーザ装置
CN101562310B (zh) * 2009-05-04 2010-09-01 北京国科世纪激光技术有限公司 被动锁模皮秒激光器
US20110206071A1 (en) * 2010-02-24 2011-08-25 Michael Karavitis Compact High Power Femtosecond Laser with Adjustable Repetition Rate
US8953651B2 (en) * 2010-02-24 2015-02-10 Alcon Lensx, Inc. High power femtosecond laser with repetition rate adjustable according to scanning speed
US8279901B2 (en) * 2010-02-24 2012-10-02 Alcon Lensx, Inc. High power femtosecond laser with adjustable repetition rate and simplified structure
US9054479B2 (en) * 2010-02-24 2015-06-09 Alcon Lensx, Inc. High power femtosecond laser with adjustable repetition rate
RU2453856C1 (ru) * 2011-02-22 2012-06-20 Открытое акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" (ОАО "ОНПП "Технология") Устройство для определения диэлектрической проницаемости образца материала при воздействии внешних факторов
CN103907248A (zh) * 2011-05-17 2014-07-02 红移系统有限公司 热光可调激光器系统
DE102011114975B3 (de) * 2011-10-06 2013-02-21 Batop Gmbh Passiv gütegeschalteter Mikrochip-Laser mit optischem Verstärker
US8908739B2 (en) 2011-12-23 2014-12-09 Alcon Lensx, Inc. Transverse adjustable laser beam restrictor
US9170162B2 (en) * 2012-07-30 2015-10-27 Optical Physics Company Laser beam control system with bidirectional beam director
CN103259176B (zh) * 2013-04-25 2016-09-14 温州市德罗斯激光科技有限公司 高功率全固态皮秒激光器
WO2015047788A1 (en) * 2013-09-30 2015-04-02 Ipg Photonics Corporation Ultra-short pulse mid-ir mode-locked laser
US10246742B2 (en) * 2015-05-20 2019-04-02 Quantum-Si Incorporated Pulsed laser and bioanalytic system
US10605730B2 (en) 2015-05-20 2020-03-31 Quantum-Si Incorporated Optical sources for fluorescent lifetime analysis
US11466316B2 (en) 2015-05-20 2022-10-11 Quantum-Si Incorporated Pulsed laser and bioanalytic system
US10804672B2 (en) * 2016-04-25 2020-10-13 The Regents Of The University Of Colorado, A Body Monolithic mode-locked laser
CA3047133A1 (en) 2016-12-16 2018-06-21 Quantum-Si Incorporated Compact mode-locked laser module
EP3555691A1 (en) 2016-12-16 2019-10-23 Quantum-Si Incorporated Compact beam shaping and steering assembly
US10409139B2 (en) * 2017-09-21 2019-09-10 Qioptiq Photonics Gmbh & Co. Kg Light source with multi-longitudinal mode continuous wave output based on multi-mode resonant OPO technology
US10756505B2 (en) 2017-09-21 2020-08-25 Qioptiq Photonics Gmbh & Co. Kg Tunable light source with broadband output
EP3807622A1 (en) 2018-06-15 2021-04-21 Quantum-Si Incorporated Data acquisition control for advanced analytic instruments having pulsed optical sources
WO2020118186A1 (en) * 2018-12-07 2020-06-11 David Hawkins Generation of electromagnetic solitons for propulsion by a rotating anisotropic homopolar magnetic field
JP2022537277A (ja) 2019-06-14 2022-08-25 クアンタム－エスアイ インコーポレイテッド 改善されたビームアラインメント感度を有するスライス格子カプラ

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4205278A (en) * 1978-01-11 1980-05-27 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Multiple excitation regenerative amplifier inertial confinement system
US4435809A (en) * 1981-09-14 1984-03-06 Bell Telephone Laboratories, Incorporated Passively mode locked laser having a saturable absorber
JPH01276782A (ja) * 1988-04-28 1989-11-07 Asahi Glass Co Ltd レーザダイオード励起固体レーザ装置及び光プリンター
US5802084A (en) * 1994-11-14 1998-09-01 The Regents Of The University Of California Generation of high power optical pulses using flared mode-locked semiconductor lasers and optical amplifiers
US5574738A (en) * 1995-06-07 1996-11-12 Honeywell Inc. Multi-gigahertz frequency-modulated vertical-cavity surface emitting laser
DE19607689A1 (de) * 1996-02-29 1997-09-04 Lambda Physik Gmbh Gütegesteuerter Festkörperlaser
US5781327A (en) * 1996-08-19 1998-07-14 Trw Inc. Optically efficient high dynamic range electro-optic modulator
US6097741A (en) * 1998-02-17 2000-08-01 Calmar Optcom, Inc. Passively mode-locked fiber lasers
US6288832B1 (en) * 1997-11-06 2001-09-11 Bruce Richman Apparatus and methods for using achromatic phase matching at high orders of dispersion
US5987049A (en) * 1998-04-24 1999-11-16 Time-Bandwidth Products Ag Mode locked solid-state laser pumped by a non-diffraction-limited pumping source and method for generating pulsed laser radiation by pumping with a non-diffraction-limited pumping beam
US6275512B1 (en) * 1998-11-25 2001-08-14 Imra America, Inc. Mode-locked multimode fiber laser pulse source
US6449301B1 (en) * 1999-06-22 2002-09-10 The Regents Of The University Of California Method and apparatus for mode locking of external cavity semiconductor lasers with saturable Bragg reflectors
US6834064B1 (en) * 1999-12-08 2004-12-21 Time-Bandwidth Products Ag Mode-locked thin-disk laser

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011199324A (ja) * 2004-03-31 2011-10-06 Aisin Seiki Co Ltd パルス高パワーファイバ増幅器システムを制御し保護するための方法と装置。
JP2008510322A (ja) * 2004-12-30 2008-04-03 イムラ アメリカ インコーポレイテッド ファイバレーザシステムにおけるモードロックを獲得および維持する方法ならびに装置
JP2006344863A (ja) * 2005-06-10 2006-12-21 Fujifilm Holdings Corp モードロックレーザ装置
JP4579062B2 (ja) * 2005-06-10 2010-11-10 富士フイルム株式会社 モードロックレーザ装置
JP2007129210A (ja) * 2005-10-04 2007-05-24 Fujifilm Corp モードロックレーザ装置。
JP2007208002A (ja) * 2006-02-01 2007-08-16 Ricoh Co Ltd 半導体レーザー励起固体レーザー装置
JP2008028379A (ja) * 2006-06-22 2008-02-07 Fujifilm Corp モードロックレーザ装置
JP2008270344A (ja) * 2007-04-17 2008-11-06 Fujifilm Corp 固体レーザ装置
JP2009016607A (ja) * 2007-07-05 2009-01-22 Fujifilm Corp モードロックレーザ装置
EP2180563A1 (en) 2008-10-27 2010-04-28 Fujifilm Corporation Mode-locked laser device, ultrashort pulse light source device, broad bandwidth light source device, non-linear optical microscopy device, non-linear optical microscopy device, recording device and optical coherence tomography device
US8238387B2 (en) 2008-10-27 2012-08-07 Fujifilm Corporation Mode-locked laser device, ultrashort pulse light source device, broad bandwidth light source device, non-linear optical microscopy device, recording device and optical coherence tomography device
JP2011066300A (ja) * 2009-09-18 2011-03-31 Shimadzu Corp レーザ共振器

Also Published As

Publication number Publication date
US7106764B1 (en) 2006-09-12
AU3070500A (en) 2000-08-18
EP1149442B1 (en) 2003-04-16
US6393035B1 (en) 2002-05-21
ATE237877T1 (de) 2003-05-15
DE60002165D1 (de) 2003-05-22
CA2359794A1 (en) 2000-08-03
DE60002165T2 (de) 2004-05-06
IL144404A0 (en) 2002-05-23
WO2000045480A1 (en) 2000-08-03
EP1149442A1 (en) 2001-10-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1149442B1 (en) High-repetition rate passively mode-locked solid-state laser
US6778565B2 (en) Pulse-generating laser
Keller et al. Semiconductor saturable absorber mirrors (SESAM's) for femtosecond to nanosecond pulse generation in solid-state lasers
JP4977298B2 (ja) 受動モード同期光ポンピング半導体の外部空洞共振器面発光レーザ
Keller Ultrafast all-solid-state laser technology
Garnache et al. Sub-500-fs soliton-like pulse in a passively mode-locked broadband surface-emitting laser with 100 mW average power
US20030058904A1 (en) Pulse-generating laser
Sutter et al. Self-starting 6.5-fs pulses from a Ti: sapphire laser using a semiconductor saturable absorber and double chirped mirrors
JP2003521106A (ja) 可飽和ブラッグ反射器を含む反射鏡を有する半導体レーザ
Chen et al. state [7]. The measured wavelength was 0.9463 pm. When the laser facets were coated to R= 0.99, the threshold dropped by x 10. It operated in the first quantised state with a lasing wavelength of
Krainer et al. Tunable picosecond pulse-generating laser with repetition rate exceeding 10 GHz
US6538298B1 (en) Semiconductor saturable absorber mirror
Bellancourt et al. Modelocked integrated external-cavity surface emitting laser
US5271025A (en) Mode-locked upconversion laser source
Rutz et al. Passively modelocked GaInNAs VECSEL at centre wavelength around 1.3 µm
WO2002011256A1 (en) High-repetition-rate passively mode-locked solid-state laser
Chang et al. Self-starting passively mode-locked tunable Cr 4+: yttrium–aluminum–garnet laser with a single prism for dispersion compensation
Kubecek et al. Ultralow-pump-threshold laser diode pumped Cr: LiSAF laser
Min et al. Cavity dumped operation of a cw pumped Q-switched and mode-locked YLF laser
Spühler et al. High-power femtosecond Yb: YAG laser based on a power-scalable concept
Sieber et al. High-average power femtosecond VECSELs with tunable repetition rates up to 10 GHz
Alfieri et al. Recent progress in high-power femtosecond semiconductor disk lasers
Kellner et al. Mode-locked Nd: YAlO/sub 3/laser on the ground-state transition
Noh et al. Visible sub-60-femtosecond dye laser with GaAs based semiconductor saturable absorber mirror
Fermann et al. Cladding-pumped passively mode-locked femtosecond fiber lasers

Legal Events

Date Code Title Description
A300 Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 20070403