JP2003504677A - 分散性多層ミラー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、例えば短パルスレーザー装置、発振器、レーザー増幅器又は中空ファイバー圧縮器のための分散性多層ミラーに関する。該ミラーは、反射されるべき放射短パルスの異なる周波数成分のための予め定められた分散値を生成するべく基材（１）に適用された複数の個別誘電体層（４、５）を有する。全ての周波数成分を反射するため基材（１）上に高反射性層（２、２′）が設けられている。個別誘電体層（４、５）は、反射された短パルスの位相を変調させるため共振コーティング構造（３）として作用するべく前記反射性層の上面に適用されている。さまざまな周波数成分は、共振コーティング構造（３）内で異なる蓄積時間を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、例えば短パルスレーザー装置、発振器、レーザー増幅器又は中空フ
ァイバー圧縮器のための分散性多層ミラーに関するものであり、このミラーは、
反射すべき放射線短パルスの異なる周波数成分用として所定の分散値を生成する
べく基材に適用された複数の個別誘電体層を含む。

【０００２】 レーザー技術においては、ピコ秒及びフェムト秒範囲のパルス時間を含むより
短かいレーザーパルスが増々望まれている。科学分野におけるその用途とは別に
、かかる短パルスレーザー装置は、産業界において材料加工用として利用される
ことが増々多くなってきている。かかる短パルスレーザー装置（例えばＷＯ９８
／１０４９４Ａを参照のこと）において利用されるレーザー結晶は、１０フェム
ト秒未満さらには５フェムト秒未満のパルス時間をもつレーザーパルスの発生を
可能にするべく優れた熱特性ならびに幅広い螢光バンドを有する。ここでは、特
に、遷移金属をドープされたレーザー結晶、例えば、特にチタンサファイア（Ｔ
Ｉ：Ｓ）レーザー結晶といったようなものが使用される。

【０００３】 かかる超短レーザーパルス、又は一般に放射線パルス、の発生における１つの
問題点は、広帯域バンド、高反射性の光学素子、又は分散性（すなわち分散成分
誘発）部品をそれぞれに利用可能な状態にすることが特に重要となる、レーザー
装置の残りの光学部品にある。

【０００４】 薄層技術でかかるレーザー装置のための分散性部品を提供することがすでに提
案されてきている。例えば、米国特許第５７３４５０３号明細書ならびにA.Stin
gl et al.,“Generation of 11-fs pulses from a Ti: sapphire laser without
the use of prisms”, Optics Letters, Vol.19, No.3, １９９４年２月ｐ２０
４〜２０６参照。これを実施するにあたっては、ミラーは、周波数範囲内で相応
して大きなバンド幅をもつ超短レーザーパルスを反射するときにその機能を果た
し、すなわちレーザービームの異なる波長の成分が反射される前にミラーの個々
の層中の異なる深さまで進入するような異なる屈折率をもつ複数の（例えば４２
の）個別層で構成されている。このようにして、異なる周波数成分は、それぞれ
の層深さに対応する異なる時間量だけ遅延させられ、短波長成分はどちらかと言
えば外側へ反射されることになるが、長波長成分はミラー内部のさらに深くで反
射されることになる。このことはすなわち、長波長周波数成分は短波長成分に比
べて暫時遅延されることになるということを意味する。このようにして、レーザ
ー装置内で短パルスレーザービームについて分散補償を達成することができる。
すなわち、特に短かい時間範囲のパルスは広い周波数スペクトルを有するが、こ
のとき、光学的に非線形である関連するレーザー結晶内のレーザービームの異な
る周波数成分は異なる屈折率に「遭遇」しており（すなわち、レーザー結晶の光
学厚みはレーザーパルスのさまざまな周波数成分について異なる）、従ってレー
ザーパルスの異なる周波数成分は、レーザー結晶を通り抜けるとき様々に遅延さ
せられることになる。この効果は、既知の薄膜レーザーミラーにおいて上述の分
散補償により打ち消すことができ、従ってこれらのミラーは「分散性」ミラーと
呼ばれる。これらの既知のミラーは、同様に「チャープドミラー」（ＣＭ）とも
呼ばれ、これまで使用されてきたプリズムを含む遅延用素子に比べて実質的な進
歩を示すものである。レーザー発振器から直接１０ｆｓ以下のパルス時間をもつ
レーザーパルスを得ることが初めて可能となり、レーザー装置はよりコンパクト
で信頼性の高いものとなった。ＣＭミラーは、多層構造内へのさまざまなスペク
トル成分の進入深度により上述のような群遅延（group delays）の波長依存性を
制御する。しかしながら、かかる多層構造は、比較的製造が複雑であり、そして
更に、比較的大きい厚み寸法をもつ。

【０００５】 ここで、本発明の目的は、同じく比較的短かい光路長が達成可能となりかつそ
れでも同じく比較的高い分散値が群遅延について許容される、単純な多層構成を
可能にする広帯域分散性ミラーを提供することにある。 最初に定義されるタイプの本発明の分散性ミラーは、全ての周波数成分を反射
するため基材上に高反射性層が設けられ、個別誘電体層が、反射された短パルス
の位相を変調させるため共振コーティング構造としてその上に適用されており、
共振コーティング構造内で異なる周波数成分について異なる蓄積時間が与えられ
ていることを特徴とする。

【０００６】 ミラーのこのような設計によると、上述の目的は充分に達成される。本発明は
、波長に対するパルス遅延又は群走行時間（group running time）の依存性を、
ミラー内のさまざまなスペクトル成分の蓄積時間を用いて制御することが可能で
あるという事実に基づいている。当該分散性ミラーは、匹敵するスペクトル範囲
内で同じ反射能力及び同じ群様分散を達成するための全光学厚みが既知のＣＭミ
ラーに比べて小さいものであることができる、共振ミラーである。

【０００７】 一定の長さの時間的遅延を導入するよう共振構造内の光学パルスの蓄積時間を
制御することは、それ自体かなり以前から知られていることである。しかしなが
ら過去においては、これらの既知の構造は、狭帯域光学コンポーネント、いわゆ
るGires-Tournois干渉計（ＧＴＩ）のみに結びつけられてきた。これに対して本
発明を導いた試験では、本発明に従って高反射性層特に例えば銀又はアルミニウ
ムを含む高反射性金属層を例えばわずか２０〜３０の個別誘電体層しかもたない
誘電共振コーティング構造と組合わせて用いた場合に、例えば、８００ｎｍの波
長を中心とする３００ｎｍの範囲内の波長について、広帯域システムを全く問題
なく得ることができる、ということが示された。

【０００８】 ＧＴＩ干渉計は、（一定の波長で）共振空洞を形成する高反射性層、中間層及
び部分的反射性層で構成されている。共振分散性ミラーの本件においては、中間
層及び上部の、部分的反射性層は、弱共振多層構造によって置換されている。か
くして、このような状態の空洞を認識することはもはやできない。 本ミラーの誘電共振コーティング構造は、高反射性層の反射能力をわずかに増
強するが、それでもなおその主たる目的は、反射されたバルスの位相を変調させ
ることにある。

【０００９】 光学系内の損失がむしろきわめて重大であると考えられるとしても、それでも
なお帯域幅はさほど重要でなく、例えば特にいわゆるブラッグ反射器（λ／４反
射器）といったような高反射性誘電標準反射器を金属性の高反射性層の代りに使
用することも可能である。その場合には、ミラーの帯域幅は、ブラッグ反射器の
帯域幅に従って幾分か制限される。

【００１０】 かかる分散性共振ミラーのための技術的必要条件は、ＣＭミラーのものに似て
いる。しかしながら、同じスペクトル範囲について同じ群遅延分散能力及び反射
能力を達成するためには、比較的わずかな光学厚みを用いることができる。ＣＭ
ミラーについては、コーティング層の最小値は、高反射性領域内の最短波長と最
長波長の間に導入される群遅延に従って光学波長によって与えられる。しかしな
がらその共振構造のため、本発明による分散性ミラーは、この制約条件を受けず
、より短かい光学厚みでより高い分散値を導入することが可能である。ＣＭミラ
ーと比べたさらなる差異は、平均光学層厚みが支持基材からの距離と共に単調に
変化せず、恒常な平均値にとどまることになるという点にある。

【００１１】 総じて、本ミラーはかくして、高反射性反射器が弱共振誘電体層構造としっか
りと一体化されている高反射性光学干渉コーティングを内含する。群遅延（ＧＤ
）に対する周波数の依存性は、共振構造内のさまざまなスペクトル成分について
蓄積時間を介して制御される。

【００１２】 本発明によるミラーは、一般にマイクロ波からＸ線までの周波数範囲内にある
広帯域電磁信号についての分散制御に適しており、この精密でコンパクトな分散
制御にとって有利なものである超短パルスが発生される固体レーザー、レーザー
増幅器及び中空ファイバー圧縮器における応用が特に好ましい。ＣＭミラーに比
べて層の数が少ないからだけでなくこのような高反射性層が標準層であることか
らも、生産するのにより適している。

【００１３】 誘電体個別層は、例えば、それ自体それぞれ既知の二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）
及び二酸化チタン（ＴｉＯ₂）を含むことができる。しかしながら個別誘電体層
を五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）を用いて構築することも可能である。特に金属製
の高反射性層を使用する場合には、積層誘電体層を適用する時点で付着性の問題
が発生する可能性があり、ここで高反射性層と誘電共振コーティング構造の間に
例えば酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）の付着促進層を設けるならば有利であると
いうことがさらに立証された。

【００１４】 以下では、本発明について、例を用い図面を参照しながらさらに詳細に説明す
る。 図１に概略的に例示されている共振分散性ミラーは、基材１上の高反射性金属
層２を有し、この金属層２の上には例えば２０〜３０といった複数の個別層４、
５を含む共振誘電体多層コーティング構造３が適用されている。これら交互の誘
電体個別層４、５は、異なる厚みの高屈折性層及び低屈折性層であり、これらは
例えば、それ自体既知の要領でそれぞれ交互に酸化チタン（ＴｉＯ₂）及び酸化
ケイ素（ＳｉＯ₂）で作ることができる。

【００１５】 高反射性金属層２のためには、銀を、あるいはまたアルミニウムも、使用する
ことができる。その上、金属層２上の個別誘電体層４、５の付着性を改善するた
めには、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）製であることができる付着促進層
６を金属層２上に具備することができる。 図１に概略的に例示されている共振分散性ミラーの構造については、例えばそ
れぞれの層厚み（ｎｍ単位）をもつ以下の層の連続を提示することができる。

【００１６】

【表１】

【００１７】 例えば約６５０ｎｍ〜約９５０ｎｍの波長λで、このような共振分散性ミラー
は、その反射率Ｒ（％単位）及びその分散（ｆｓ²単位の群遅延分散ＧＤＤ。Ｇ
ＤＤは群遅延ＧＤの第１導関数である）に関して図２に表わされているような挙
動を示す。

【００１８】 図３においては、本発明の共振分散性ミラーの一別の態様が例示されているが
、ここでは高反射性ミラー層として基材１上にブラッグ（λ／４）反射器２′が
設けられている。この後には、交互のそれぞれの高屈折性及び低屈折性個別層４
及び５を含む共振誘電体コーティング構造３が続く。 関連する光学系にとって損失がより重大であり、それでもより小さな帯域幅を
受容できる場合には、図３に例示されているようなミラー構造が有利である。

【００１９】 反射率Ｒ及び分散ＧＤＤに関する標準的挙動は、例えば図４のグラフから結果
としてもたらされるものであり、ここでは、帯域幅が今や（図２によれば６５０
ｎｍ〜９５０ｎｍである代りに）例えば約７００ｎｍの波長λから約９００ｎｍ
の波長λまでといったようにさらに小さいことは明白である。

【００２０】 個別層４及び５については、それぞれ、ここでも酸化チタン（ＴｉＯ₂）及び
酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）層を設けることができる。当然のことながら、必要に応
じて、指示されている２８よりも少ないか又は多い個別層４、５を使用すること
もできる。特に、例えば約２０だけといったようなさらに少ない個別層４、５も
使用できる。その上、五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）などといったようなその他の
材料も考えることができる。最も重要なのは、個別層４、５が全体として１つの
共振多層構造を結果としてもたらし、反射されたパルスの位相を変調するという
ことにある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 高反射性金属層を備えた分散性共振ミラーの構造を概略的に示す図である。

【図２】 反射率Ｒ（％）及び群遅延分散ＧＤＤ（ｆｓ²）と波長λとの関係を表わすグ
ラフである。

【図３】 高反射性ブラッグ（λ／４）反射器を備えたもう１つの分散性共振ミラーの構
造を示す図である。

【図４】 反射率（％）及び分散ＧＤＤ（ｆｓ²）と波長λとの関係を表わす対応するグ
ラフである。

───────────────────────────────────────────────────── 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，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ， ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ Ｆターム(参考） 2H042 DA02 DA04 DA08 DE07 5F072 KK06 KK26 SS08

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 例えば短パルスレーザー装置、発振器、レーザー増幅器又は
   中空ファイバー圧縮器のための、分散性多層ミラーであり、反射されるべき放射
   短パルスの異なる周波数成分について所定の分散値を生成するよう基材（１）に
   適用された複数の個別誘電体層（４、５）を含むミラーであって、全ての周波数
   成分を反射するため基材（１）上に高反射性層（２、２′）が設けられ、その上
   に個別誘電体層（４、５）が、反射された短パルスの位相を変調させるための共
   振コーティング構造（３）として適用されており、共振コーティング構造（３）
   内で異なる周波数成分について異なる蓄積時間が与えられることを特徴とする分
   散性多層ミラー。
2. 【請求項２】 高反射性層（２）が金属層であることを特徴とする請求項１
   記載のミラー。
3. 【請求項３】 高反射性金属層（２）が銀を含むことを特徴とする請求項２
   記載のミラー。
4. 【請求項４】 高反射性金属層（２）がアルミニウムを含むことを特徴とす
   る請求項２記載のミラー。
5. 【請求項５】 高反射性層（２′）がそれ自体既知のブラッグ反射器として
   設計されていることを特徴とする請求項１記載のミラー。
6. 【請求項６】 共振コーティング構造（３）が例えば２０〜３０といった少
   数の個別誘電体層（４、５）を含むだけであることを特徴とする請求項１〜５の
   いずれか１項に記載のミラー。
7. 【請求項７】 個別誘電体層（４、５）が交互に高屈折性及び低屈折性であ
   ることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のミラー。
8. 【請求項８】 個別誘電体層（４、５）が交互に、それぞれ二酸化ケイ素（
   ＳｉＯ₂）及び二酸化チタン（ＴｉＯ₂）からなることを特徴とする請求項１〜７
   のいずれか１項に記載のミラー。
9. 【請求項９】 例えば酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）の、付着促進層（６）
   が高反射性層（２）と誘電性共振コーティング構造（３）の間に設けられている
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のミラー。