JP2004165652A - 超短パルスレーザ装置およびそれを用いた光学ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】 構成が簡単で小型であり、安定な高出力が得られる超短パルスレーザ装置を提供する。
【解決手段】 単一偏光の励起用半導体レーザ１と、単一偏光で発振する固体レーザ媒質２と、偏光保持光ファイバー３と、可飽和吸収ミラー４とを備えた超短パルスレーザ装置。光ファイバーと可飽和吸収ミラーの間に固体レーザ媒質が配置される。励起用半導体レーザから出射したレーザ光が光ファイバーの第１の端面７に光結合し、光ファイバーの第２の端面８から出射したレーザ光により固体レーザ媒質が励起される。光ファイバーの第１の端面と、可飽和吸収ミラーにより、レーザ共振器が構成される。数１００ＭＨｚの繰り返し周波数で、安定にモード同期を実現することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光通信分野や光情報処理分野で用いられる超短パルスレーザ装置に関する。

次世代の高密度大容量記録として期待されている３次元ビットバイビット記録は、多光子課程などの非線形な効果を利用する。普通の状態では照射するレーザ光に対して透明であるガラスや有機材料などに、パルス幅がフェムト秒の超短パルスレーザをレンズにより集光すると、吸収の遷移確立は光強度の２乗に比例し、光吸収が生じる。これにより、例えば、ジアリールエテンを開環体から閉環体に変化させて、吸収スペクトラムを変化させることができる。材料がレーザ光に透明であるため、層方向に多層化することができ、光記録の大容量化が可能である。

このような３次元ビットバイビット記録には、超短パルスレーザが必要である。図９に、超短パルスレーザ光源であるフェムト秒レーザの一例を示す。この装置では、励起用レーザ６０からのレーザ光が、ミラー６１および凹面鏡６２を介して、固体レーザ媒体６３に集光される。可飽和吸収ミラー６４と出力ミラー６５の間で共振器が構成される。可飽和吸収ミラー６４は、モード同期のために用いられる。プリズムペアー６６、６７は、分散補償用である。固体レーザ媒体６６に、Cr:forsterite（励起波長１．０６μｍ、波長１．３μｍ発振）を用い、励起用レーザ６０に、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（波長１．０６μｍ）を用いて、２０ｆｓの超短パルス光が得られる。

また、例えば特許文献１に記載のような、共振器の光路に光ファイバーを介在させた超短パルスレーザ装置も知られている。
特開平８−２１３６８０号公報

超短パルス光の平均出力をＰｃ、繰り返し周波数をｆ、パルス幅をｔ、ピーク出力をＰｐとすると、１パルスのエネルギーＥは、
Ｅ＝Ｐｃ／ｆ（Ｊ）
となり、ピーク出力Ｐｐは、
Ｐｐ＝Ｅ／ｔ（Ｗ）
となる。Ｐｃは励起用レーザの出力に依存する。民生用途を考えると、励起用レーザは１Ｗ以下である必要がある。したがって、Ｐｐを大きくするためには、繰り返し周波数ｆを下げて、パルス幅を小さくする必要がある。一方、例えば光記録に利用するためには、ある程度のデータ転送レートが必要であり、数１００ＭＨｚ以上の繰り返し周波数が要求される。１Ｗ励起で、ピーク出力１ＫＷを得ようとすると、１０ピコ秒程度のパルス幅にする必要がある。

パルス幅を低減するための方法として、モード同期が好適である。この方法では、レーザ光が共振器を一往復するタイミングに同期して、共振器のゲインや損失を変化させることにより、パルスの位相を揃える。モード同期の方法には、ＡＯ素子やＥＯ素子を用いた能動型モード同期と、過飽和吸収体やカーレンズ効果を用いた受動型モード同期がある。モード同期の周波数νと共振器長ｄの関係は、光速をｃとすると、
ν＝ｃ／２ｄ
である。したがって１００ＭＨｚの周期でモード同期を得るためには、共振器長を１．５ｍにする必要がある。そのため、図９に示すような複雑な光学系となる。装置が大型化するだけでなく、光学部品のずれや汚れなどの点を考慮すると、信頼性の点で問題がある。

一方、光ファイバーを用いることにより、光学部品点数および光学的な調整箇所を低減することができる。しかしながら、モード同期による出力の安定性、あるいは構成の簡素化において、十分に実用的な装置は実現されていない。

本発明は、構成が簡単で小型であり、安定な出力が得られる超短パルスレーザ装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の構成の超短パルスレーザ装置は、単一偏光の励起用半導体レーザと、単一偏光で発振する固体レーザ媒質と、偏光方向を保持する光ファイバーと、可飽和吸収ミラーとを備える。前記光ファイバーと前記可飽和吸収ミラーの間に前記固体レーザ媒質が配置される。前記励起用半導体レーザから出射したレーザ光が前記光ファイバーの第１の端面に光結合し、前記光ファイバーの第２の端面から出射したレーザ光により前記固体レーザ媒質が励起される。前記光ファイバーの第１の端面と、前記可飽和吸収ミラーにより、レーザ共振器が構成される。

本発明の第２の構成の超短パルスレーザ装置は、単一偏光の励起用半導体レーザと、強誘電体結晶基板上に形成され単一偏光で発振するとともに導波路損失可変部を有する導波路型固体レーザ媒質と、偏光方向を保持する光ファイバーとを備える。前記光ファイバーの第１の端面と前記導波路型固体レーザ媒質の第１の端面が、光結合するように対向する。前記励起用半導体レーザから出射したレーザ光が、前記光ファイバーの第２の端面、または前記導波路型固体レーザ媒質の第２の端面から光結合することにより、前記導波路型固体レーザ媒質を光励起する。前記光ファイバーの第２の端面と、前記導波路型固体レーザ媒質の第２の端面によりレーザ共振器が構成される。

本発明の第１の構成の光学ヘッドは、第１の構成の超短パルスレーザ装置を備える。前記超短パルスレーザ装置は、出力取り出し部が設けられて、前記出力取り出し部と前記励起用半導体レーザの間に前記光ファイバーが配置された構成を有する。前記励起用半導体レーザは放熱基台に固定され、前記出力取り出し部は、前記放熱基台とは別体の光学ヘッド基台に固定される。

本発明の第２の構成の光学ヘッドは、単一偏光の励起用半導体レーザと、遷移元素ドープされた光ファイバーと、可飽和吸収ミラーからなる短パルスレーザを備える。前記超短パルスレーザ装置は、出力取り出し部が設けられて、前記出力取り出し部と前記励起用半導体レーザの間に前記光ファイバーが配置された構成を有する。前記励起用半導体レーザは放熱基台に固定され、前記出力取り出し部は、前記放熱基台とは別体の光学ヘッド基台に固定される。

第１の構成の超短パルスレーザ装置によれば、コンパクトな構成で共振器長を１ｍ以上に設定でき、またモード同期が生じるため、繰り返し周波数数１００ＧＨｚに対して、ピコ秒以下の短パルス光を発生可能であり、十分なピーク出力を安定して得ることができる。また、単一偏光で発振する固体レーザ媒質と、偏光方向を保持するファイバーを用いることで、共振器内で発振するレーザ光の偏光方向が単一偏光に保持されるため、モード同期に有利であり、安定な高効率発振により高いピーク出力が得られる。

第２の構成の超短パルスレーザ装置は、第１の構成における固体レーザ媒質と可飽和吸収ミラーの組み合わせに替えて、導波路損失可変部を有する導波路型固体レーザ媒質を用いたものである。導波路損失可変部により、光導波路２７の損失、すなわち共振器損失を可変とすることができ、それにより、モード同期を機能させる。この構成により、第１の構成の装置と同様の効果を得ることができる。

第１または第２の構成の光学ヘッドは、励起用半導体レーザと、出力取り出し部が、各々別体の基台に固定された構成を有する。したがって、光学ヘッドの構成要素のうち、出力取り出し部を含む構造体を、コンパクト／軽量に設計できる。

本発明の第１の構成の超短パルスレーザ装置において、前記光ファイバーの第１の端面に、前記励起用半導体レーザ光に対して低反射率で、レーザ共振器で発振する光に対しては高反射率である誘電体多層膜が形成されていることが好ましい。また、前記光ファイバーとして、フォトニックファイバーを用いることができる。また好ましくは、前記固体レーザ媒質が、Ｎｄ：ＹＶＯ₄、Ｎｄ：ＧｄＶＯ₄、またはＣｒ：ＬｉＳＡＦにより構成される。

本発明の第２の構成の超短パルスレーザ装置において、前記導波路損失可変部を、前記強誘電体結晶基板上に形成された方向性結合器により構成することができる。また、前記導波路型固体レーザ媒質は、波長変換部を有する構成とすることができる。

本発明の光学ヘッドにおいて、前記出力取り出し部が、前記可飽和吸収ミラーである構成とすることができる。

本発明のいずれかの構成の光学ヘッドと、前記光学ヘッドにおける前記短パルスレーザから出射した光を記録媒体に導くための光学系と、前記記録媒体からの反射光を検出するための光学系とを備えることにより、前記記録媒体に対する情報の記録および再生を行う光情報処理装置を構成することができる。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における超短パルスレーザ装置について、図１を参照して説明する。この超短パルスレーザ装置は、主要な要素として、励起用半導体レーザ１、固体レーザ媒質２、光ファイバー３、および可飽和吸収ミラー４を含む。励起用半導体レーザ１から出射したレーザ光は、バンドパスフィルタ５が挿入された２つのレンズ６により光ファイバー３の第１の端面７に結合される。光ファイバー３の第２の端面８から出射したレーザ光は、レンズ９および出力ミラー１０を通過して固体レーザ媒質２に集光され励起する。固体レーザ媒質２を通過したレーザ光は、可飽和吸収ミラー４により反射される。可飽和吸収ミラー４と光ファイバー３の第１の端面７により、レーザ共振器が構成される。

本実施の形態における超短パルスレーザは、繰り返し周波数が数１００ＭＨｚ、パルス幅が１０ｐｓ以下、ピーク出力が１〜１０ｋＷ程度の特性を得ることを目的としたものである。この特性を満足するために、可飽和吸収ミラーによりモード同期を得るように構成されている。可飽和吸収ミラーによりpassiveにモード同期が生じるため、繰り返し周波数数１００ＧＨｚに対して、ピコ秒以下の短パルス光を発生可能である。また、繰り返し周波数を数１００ＭＨｚにするためには、共振器長を１ｍ前後にする必要がある。光ファイバー３は、１ｍ程度の共振器長を有し、しかもコンパクトな装置を構成するために有効である。

励起用半導体レーザ１には、例えば、波長８０８ｎｍ、出力２００ｍＷで、シングルストライプのＡｌＧａＡｓ系半導体レーザを用いる。また、固体レーザ媒質２には、例えば、ａ軸カット３ａｔ．％ドープのＮｄ：ＹＶＯ₄を用いる。光ファイバー３には、例えば長さ１．５ｍの偏光保持ファイバーを用いる。光ファイバー３は、例えばφ５０ｍｍに巻かれて、コンパクトに配置される。出力ミラー１０には、通常の誘電体多層ミラーを用い、９５％透過、５％反射の特性を持たせ、光軸に対して例えば４５度傾けて設置する。

バンドパスフィルタ５は、励起用半導体レーザ１の発振波長を安定させるために用いられる。バンドパスフィルタ５は、例えば、透過スペクトラムの半値全幅が１ｎｍで、透過率が９０％の特性を有する。励起用半導体レーザ１からのレーザ光が入射する側である、光ファイバー３の第１の端面７には、励起用半導体レーザ１の波長８０８ｎｍに対して反射率が例えば５％で、固体レーザ媒質２であるＮｄ：ＹＶＯ₄の発振波長１０６４ｎｍに対して反射率が例えば９９．９％の高反射率コートとなるような多層膜を形成する。出力ミラー１０は、波長１０６４ｎｍに対して反射率が５％である。

波長８０８ｎｍの光は一部、第１の端面７から反射し、励起用半導体レーザ１にフィードバックされるため、バンドパスフィルタ５の透過スペクトラムの中心波長（ここでは、Ｎｄ：ＹＶＯ₄の吸収波長８０８ｎｍ）に固定される。

レーザ光が出射する側の光ファイバー３の第２の端面８には、波長８０８ｎｍと１０６４ｎｍに対して無反射コートとなるように多層膜が形成される。可飽和吸収ミラー４と光ファイバー３の第１の端面７によりレーザ共振器が構成されるように、レンズ９のコリメート調整と、可飽和吸収ミラー４の光軸に対する直交度の調整を行う。

可飽和吸収ミラー４について説明する。可飽和吸収ミラー４としては、例えば、半導体可飽和吸収ミラー（semiconductor saturable absorber mirror：ＳＥＳＡＭ）を用いる。ＳＥＳＡＭは、ある出力以上の光が入射すると、吸収が低下する可飽和特性を示し、またその吸収回復時間が数１００ｆｓ程度と早いことが特徴である。図２に示すように、ＳＥＳＡＭは、ＧａＡｓ基板１１上に、反射層１２と、バッファー層１３で挟まれた可飽和吸収層１４が形成された構造を有する。

反射層１２は、ＭＯＣＶＤ（metalorganic chemical vapor deposition）を用いて形成された、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなるＤＢＲグレーティングにより形成されている。バッファー層１３はＩｎＡｌＡｓ層からなり、可飽和吸収層１４はＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓの多重量子井戸により構成される。ミラーの反射率が１００％になるようにブラッグミラーを設計することが望ましい。飽和に達したときの出力である飽和光出力は、一例として１００μＪ／ｃｍ²が得られ、そのとき１０％の反射率変化を得ることができる。図示しないが、ＳＥＳＡＭは銅のヒートシンクに固定されている。

本実施の形態では、固体レーザ媒質２として一軸性結晶のＮｄ：ＹＶＯ₄が用いられ、光ファイバー３として偏光保持ファイバーが用いられている。したがって、共振器内で発振する１０６４ｎｍのレーザ光の偏光方向が単一偏光に保存されるため、モード同期にも有利である。

光ファイバー中では、自己位相変調の効果により、ピーク部が位相遅れを生じるため、パルスの前半部の波長は長波長側にシフトし、パルスの後半部は短波長側にシフトする。波長分散が負（異常分散）のファイバーでは、光の群速度が長波長ほど遅くなる。そのため、パルスの前半部では群速度が遅く、後半部では群速度が速くなるので、結果としてパルスの時間波形が狭窄化される。本実施の形態においても、上記の非線形効果によるパルス圧縮が生じているため、短パルス化に有効である。

本実施の形態に基づく超短パルスレーザ装置の実例において、励起用半導体レーザ１の出力２００ｍＷに対して、１５０ｍＷが光ファイバー３に結合した。そして、出力ミラー１０より、１０６４ｎｍの光が平均出力５０ｍＷで得られた。また、１００ＭＨｚの周波数でモード同期が得られ、このとき、パルス幅は５００ｆｓであり、ピーク出力は、１ｋＷであった。

本実施の形態の特徴は、固体レーザ媒質２であるＮｄ：ＹＶＯ₄が単一偏光発振の特性を有し、光ファイバー３が偏光保持ファイバーであるため、偏光が保存され、高効率のモード同期発振が行われることである。また、可飽和吸収ミラー４と光ファイバー３を用いているため、従来の構成に比べ、コンパクトで安定な構成が実現できる。さらに、光フィードバック機能を有しているため、励起用半導体レーザ１の波長が、固体レーザ媒質２であるＮｄ：ＹＶＯ₄の吸収波長に安定に固定され、高効率のレーザ発振が行われる。

本実施の形態に基づく装置により得られた１０６４ｎｍの超短パルス光を波長変換することにより、より短波長の超短パルス光を得ることができた。波長変換素子としては、ＫＴｉＰＯ₄結晶などを用いることが可能である。図１の構成において、固体レーザ媒質２と光ファイバー３の間にＫＴｉＰＯ₄結晶を挿入することで、内部共振器型にすることも可能である。得られた５３２ｎｍの超短パルス光を３次元の光記録に用いると、高感度な材料を選択することができる。

上述の構成では、固体レーザ媒質２としてＮｄ：ＹＶＯ₄を用いた場合を示したが、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦなどの固体レーザ媒質を用いることもできる。それにより、赤色ＡｌＧａＩｎＰ半導体レーザで励起し、８００ｎｍ帯を発信させることも可能であり、コンパクトな短パルスレーザを実現することができる。また、Ｎｄ：ＧｄＶＯ₄を用いることもできる。いずれの固体レーザ媒質も、単一偏光の発振が可能である。

さらに、上述の構成では、励起用半導体レーザ１と可飽和吸収ミラー４の間に光ファイバー３が位置しており、それぞれを個別に放熱できるため、安定で信頼性のある共振器を構成できる。特に、半導体レーザ１の温度を安定に保持できるため、波長も安定化でき、結果として固体レーザ媒質２の励起効率を安定に保持できる。

本実施の形態に基づく超短パルスレーザ装置を、例えば、２光子吸収を用いた３次元ビットバイビット記録の記録再生システムに用いることができる。記録材料としては、例えば、ジアリールエテンを用いる。この記録材料に、波長４００ｎｍ以下の紫外線を照射すると青色に着色し、これに可視光（５００ｎｍ以上）を照射すると元に戻る。この材料に、波長７８０ｎｍのＴｉ：Ａｌ₂Ｏ₃レーザを用いたフェムト秒レーザ光（ピーク出力２ｋＷ、パルス幅１５０ｆｓ、平均繰り返し８０ＭＨｚ、平均出力２５ｍＷ）を照射すると、２光子吸収により青色に着色する。波長７８０ｎｍの光に対して本来吸収がないため、結晶内部に３次元的にピットを形成できる。また光強度の高い領域でのみ２光子吸収が起こるため、微細なピットが形成できる。

ジアリールエテンの構造を変えることにより、５００ｎｍ以下の可視光を照射すると緑色に変化し、赤色光を照射することで元に戻す材料も設計できる。また、最近ではさらに感度の高い材料も開発され、ピーク出力が１ｋＷ以下で記録できる材料も可能となっている。

（実施の形態２）
実施の形態２における超短パルスレーザ装置について、図３を参照して説明する。この装置は、結合レンズ系を用いない直接結合方式を採用した例である。同図において、図１に示した要素と同一の要素には、同一の参照符号を付す。

図示していないが、Ｖ溝が形成されたＳｉサブマウント上に、励起用半導体レーザ１がその活性層面をＳｉサブマウント面に対向させて実装される。Ｖ溝にはまた、光ファイバー３が固定される。また、本実施の形態では、ＳＥＳＡＭからなる可飽和吸収ミラー１５を出力ミラーとして用いる。波長１０６４ｎｍの共振器は、図１の構成と同様、光ファイバー３の第１の端面７と可飽和吸収ミラー１５により構成される。可飽和吸収ミラー１５の反射率が９０％になるようにブラッグミラーを設計する。可飽和吸収ミラー１５の飽和光出力として１００μＪ／ｃｍ²が得られ、そのときの反射率変化は１０％であった。可飽和吸収ミラー１５は銅のヒートシンク（図示せず）に固定されるが、本実施の形態では可飽和吸収ミラー１５を出力ミラーとして用いるため、ヒートシンクの中央部には穴が開けられる。

本実施の形態に基づく超短パルスレーザ装置の実例において、励起用半導体レーザ１の出力２００ｍＷに対して、１００ｍＷが光ファイバー３に結合した。そして、可飽和吸収ミラー１５から、１０６４ｎｍの光が平均出力２０ｍＷで得られた。また１００ＭＨｚの周波数でモード同期が得られ、このとき、パルス幅は５００ｆｓであり、ピーク出力は、４００Ｗであった。

本実施の形態の構成では、図１の構成と比較して発振効率が低いが、出力ミラーが不要であり、励起用半導体レーザ１の結合レンズ系も不要である。したがって、部品点数が少なくコンパクトで、安定な構成であり、実用的な価値が高い。

（実施の形態３）
実施の形態３における超短パルスレーザ装置について、図４を参照して説明する。本実施の形態においては、図１および図３の構成のように、光ファイバー３を通して、固体レーザ媒質２であるＮｄ：ＹＶＯ₄を励起することに加えて、斜め位置から入射する第２の励起用半導体レーザ１６による励起光を、レンズ１７、１８により集光する。それにより、さらに高出力化が図れる。また。固体レーザ媒質２が導波路型である場合、ワイドストライプの高出力半導体レーザにより励起が可能となるため、さらに高出力化を期待できる。

以上のように、図１、図３および図４に示す超短パルスレーザ装置の構成では、光ファイバー３を用いることにより、長い共振器を小型に構成して、モード同期周波数を光記録再生システムに適した数１００ＭＨｚ程度に設定できる。結果として、ｋＷレベルの高出力とピコ秒レベルの短パルスを同時に実現でき、その実用的効果は大きい。

なお、図１、図３および図４に示すような、光ファイバー３と可飽和吸収ミラー４、１５の間に固体レーザ媒質２が配置された構成に代えて、固体レーザ媒質２と可飽和吸収ミラー４、１５の間に光ファイバーが配置された構成とした場合でも、超短パルス光を得ることが可能である。但し、この場合には、共振器が、固体レーザ媒質２の端面と可飽和吸収ミラー４、１５により構成されるため、共振器の調整軸数が増加する。

（実施の形態４）
実施の形態４における超短パルスレーザ装置について、図５を参照して説明する。本実施の形態では、装置の構成は、図１、図３および図４に示したものと同様である。但し、光ファイバー３として、偏光保持ファイバーに代えて、フォトニックファイバーを用いて偏光方向を保持させることが特徴である。

図５は、フォトニックファイバーの断面形状を示す。ファイバーを形成するシリカ（ＳｉＯ₂）１９に、周期的なエアホール２０が形成されており、エアホール２０が形成されていない一部の領域がコア２１となる。エアホール２０の直径ｄと周期Λにより、クラッド２２の実効的な屈折率が変化し、導波モードの実効屈折率を変化させることができる。

周期Λを３μｍ、エアホール２０の直径ｄを１．０μｍ（ｄ／Λ＝０．３３）に設計すると、波長１０６４ｎｍに対してシングルモードで導波させることができた。フォトニックファイバーの特長は、偏光保持が可能であること、波長分散がないことである。そのため、フォトニックファイバーは超短パルスレーザ装置に用いられる光学部品として有用である。特に、図１の超短パルスレーザ装置を構成する光ファイバー３として用いた場合、偏光が保持され、波長分散もないため、安定に短パルスを発生させることができる。

（実施の形態５）
実施の形態５における超短パルスレーザ装置について、図６を参照して説明する。この装置は、導波路損失可変機能を有する導波路型固体レーザ媒質２３と、励起用半導体レーザ２４と、偏光保持光ファイバー２５から構成されている。

導波路型固体レーザ媒質２３は、強誘電体結晶基板２６に、光導波路２７と方向性結合器２８が形成された構造を有する。強誘電体結晶としては、例えばＬｉＮｂＯ₃結晶を用いる。ＬｉＮｂＯ₃結晶は、大きな非線形性を有するため、良好な波長変換特性や電気光学効果を示す。また、レーザ発振に必要なＮｄなどの遷移元素を熱拡散によりドーピングすることができる。

ＬｉＮｂＯ₃基板の−Ｚ面にＮｄ膜を形成し、１０７０℃の酸素中で熱アニールする。さらに、ＮｄドープＬｉＮｂＯ₃からなる強誘電体結晶基板２６の−Ｚ面に、プロトン交換により光導波路２７を形成する。光導波路２７の両端面は研磨する。得られた導波路型固体レーザ媒質２３は、吸収スペクトラムのセンター波長が８１４ｎｍで、蛍光スペクトラムのセンタ波長が１０８４ｎｍである。また、この光導波路２７は、異常方向のみ屈折率分布を持ち、単一偏光発振が可能である。導波路型固体レーザ媒質２３の第１の端面２９には、波長１０８４に対する無反射コート、第２の端面３０には、波長１０８４ｎｍに対する高反射率コートが形成される。

導波路型固体レーザ媒質２３上に形成された方向性結合器２８は、導波路損失可変機能を付与する。光導波路２７および方向性結合器２８上に形成された電極３１、３２に電界を印加すると、導波路２７内部の実効屈折率が変化し、隣の方向性結合器２８の光導波路に光が結合する。これを利用して、光導波路２７の損失、すなわち共振器損失を可変とすることができる。

偏光保持ファイバー２５に対しても、同様にコーティングが形成され、第１の端面３３ａには、波長１０８４に対する無反射コート、第２の端面３４には、波長１０８４ｎｍに対する高反射率コートが形成される。第２の端面３４は、出力ミラーとして機能させるため、透過率は例えば５％とする。

発振波長である１０８４ｎｍに対する共振器は、導波路型固体レーザ媒質２３の第２の端面２９と、偏光保持ファイバー２５の第２の端面３４により形成される。図６の超短パルスレーザ装置では、導波路型固体レーザ媒質２３の光導波路２７と偏光保持ファイバー２５が、レンズ系を用いないで直接光結合する構成になっており、偏光保持ファイバー２５の第１の端面３３と導波路型固体レーザ媒質２３の第１の端面２９が対向している。

励起用半導体レーザ２４からの出射光が導波路型固体レーザ媒質２３の第２の端面３０から光結合し、導波路型固体レーザ媒質２３を光励起する。１０８４ｎｍの光は、導波路型固体レーザ媒質２３の第２の端面３０と、偏光保持ファイバー２５の第２の端面３４の間で共振する。同時に、電極３１、３２に１００ＭＨｚの周期で電圧を印加すれば、偏光保持ファイバー２５の長さが１．５ｍであると、モード同期発振を生じる。

本実施の形態に基づく実例では、励起用半導体レーザ２４のレーザ出力２００ｍＷに対して、１５０ｍＷが導波路型固体レーザ媒質２３の光導波路２７に結合した。そして偏光保持ファイバー２５の第２の端面３４より、１０８４ｎｍの光が平均出力１０ｍＷで得られた。また、１００ＭＨｚの周波数でモード同期が得られ、このとき、パルス幅は５００ｆｓであり、ピーク出力は、２００Ｗであった。

さらに高出力パルス光を得るためには、導波路型固体レーザ媒質２３を横方向から励起することが有効であり、この場合にはスラブ型の高出力半導体レーザを励起光として用いることができる。

以上のように、導波路損失可変機能が集積化された導波路型固体レーザ媒質と光ファイバーを用いることで、モード同期の周波数を１００ＭＨｚに設定でき、高いピーク出力が得られる。それにより、コンパクトで高いピーク出力を有し、３次元ビット記録用光源などに適した超短パルスレーザ装置が得られる。

さらに、固体レーザ媒質の基板として強誘電体結晶基板２６を用いているため、周期的分極反転構造などを形成することにより、波長変換素子の機能も持たせることができる。周知のように、基板表面に波形電極を形成し、電界を印加することで、図６に示すように光導波路２7に直交する周期的な分極反転３５を形成できる。反転周期を６．４μｍに設定することで、１０８４ｎｍに対する位相整合が得られ、これにより、５３２ｎｍの超短パルス光を発生できる。可視光の超短パルス光を３次元の光記録に用いると、高感度な材料を選択することができる。

上述の構成では、励起用半導体レーザ２４を、直接結合により導波路型固体レーザ媒質２３の光導波路２7に光結合させたが、光ファイバー２５を介在させてその端面から励起光を結合させて、導波路型固体レーザ媒質２３の光導波路２７の端面を出力ミラーとして機能させることもできる。この場合、励起用半導体レーザ２４と導波路型固体レーザ媒質２３の位置関係が離れるため、導波路型固体レーザ媒質２３の変調特性や波長変換特性の安定性が向上する。

（実施の形態６）
実施の形態６における超短パルスレーザ装置は、図１に示した構成において、励起用半導体レーザ１として赤色半導体レーザ（６７０ｎｍ）を、固体レーザ媒質２としてＣｒ：ＬｉＳＡＦを、光ファイバー３としてフォトニックファイバーを各々用いたものである。

赤色半導体レーザとしては、例えばＡｌＧａＩｎＰ系の高出力赤色レーザ（波長６７０ｎｍ）を用いる。レーザ光は、レンズ６を用いてフォトニックファイバーからなる光ファイバー３に結合する。フォトニックファイバーは、６７０ｎｍ、および８５０ｎｍの波長に対してシングルモードで伝搬するように設計され、偏光を保持し、波長分散が零となっている。フォトニックファイバーの入射端面には、６７０ｎｍ帯に対する無反射コート、発振波長である８５０ｎｍ帯に対する高反射率コートが形成される。光ファイバー３を伝搬した光は、出射端面である第２の端面８から出射し、固体レーザ媒質２であるＣｒ：ＬｉＳＡＦを励起する。光ファイバー３の第２の端面８には、８５０ｎｍ帯に対する無反射コートが形成されている。レーザ共振器は、可飽和吸収ミラー４と光ファイバー３の入射端面である第１の端面７で形成される。可飽和吸収ミラー５は、波長８５０ｎｍ帯に設計されている。

本実施の形態に基づく実例では、励起用半導体レーザ１である赤色半導体レーザの出力２００ｍＷに対して、１５０ｍＷが光ファイバー３であるフォトニックファイバーに結合した。そして可飽和吸収ミラー４より、８５０ｎｍの光が平均出力３０ｍＷで得られた。また１００ＭＨｚの周波数でモード同期が得られ、このとき、パルス幅は５００ｆｓであり、ピーク出力は、６００Ｗであった。

以上のように、本発明の各実施の形態における超短パルスレーザ装置は、単一偏光の励起用半導体レーザと、偏光保持光ファイバーと、単一偏光で発振する固体レーザ媒質と、可飽和吸収ミラーを主要な要素とする。または、固体レーザ媒質と可飽和吸収ミラーの組み合わせに替えて、導波路損失可変機能を有する導波路型固体レーザ媒質を用いる。

それにより、コンパクトな構成で共振器長を１ｍ以上に設定でき、またモード同期が生じるため、繰り返し周波数数１００ＧＨｚに対して、ピコ秒以下の短パルス光を発生可能であり、またピーク出力としても１ｋＷ程度が容易に得られる。

また、単一偏光で発振する固体レーザ媒質と、偏光を保持する光ファイバーを用いることで、共振器内で発振するレーザ光の偏光方向が単一偏光に保存されるため、モード同期に有利であり、安定な高効率発振により高いピーク出力が得られる。したがって、各実施の形態の超短パルスレーザ装置は、３次元ビット記録用光源として好適である。

（実施の形態７）
実施の形態７における光学ヘッドについて、図７を参照して説明する。この光学ヘッドは、図３に示した超短パルスレーザ装置を用いて構成され、光記録再生装置のような光情報処理装置に適用することができる。

図７において、励起用半導体レーザ１から出射したレーザ光は、レンズ系を介さず直接光ファイバー３に結合される。励起用半導体レーザ１と光ファイバー３はＳｉサブマウント上に実装され、Ｓｉサブマウントは放熱基台３６に固定されている。光ファイバー３から出射したレーザ光は、レンズ９により集光され固体レーザ媒質２を励起する。レーザ共振器は、光ファイバー３の第１の端面７と可飽和吸収ミラー１５により構成される。可飽和吸収ミラー１５は、反射率が９５％に設定され、出力ミラーとして用いられる。光ファイバー３の第２の端面８から可飽和吸収ミラー１５までの出力部３７が、光学ヘッド基台３８に固定されている。

可飽和吸収ミラー１５から出射した短パルス光（１０６４ｎｍ）は、レンズ３９によりコリメートされ、ビームスプリッタ４０、ミラー４１、および対物レンズ４２を含む光学系により、記録媒体である光ディスク４３上に集光される。光ディスク４３からの反射光は、検出光学系４４により検出器４５に導かれ、サーボ検出や再生信号検出に用いられる。

本実施の形態では、光ファイバー３が、出力部３７に配置された可飽和吸収ミラー１５と励起用半導体レーザ１の間に位置する。そして、励起用半導体レーザ１と出力部３７が各々別の基台すなわち、放熱基台３６と光学ヘッド基台３８に固定されている。したがって、光学ヘッドの構成要素のうち、光学ヘッド基台３８上に設置される部分を、コンパクト／軽量に設計できる。その結果、ＣＤやＤＶＤで用いられる光学ヘッドと同様、光学ヘッド基台３８を移動させて、サーボ制御を行うことができる。

また、励起用半導体レーザ１から発する熱は放熱基台３６に放熱されるため、光学ヘッドの放熱設計が容易となる。

上述の構成に代えて、図８に示すように、励起用半導体レーザ４６と、遷移元素ドープされた光ファイバー４７と、可飽和吸収ミラー４８を主たる要素とする超短パルスレーザ装置を搭載して同様の光学ヘッドを構成し、同様の効果を得ることができる。例えば、励起用半導体レーザ４６として９８０ｎｍ帯ＩｎＧａＡｓ半導体レーザを用い、光ファイバー４７としてＥｒやＹｂがドープされた光ファイバーを用いる。

励起用半導体レーザ４６から出射したレーザ光は、結合器４９によりＥｒドープ光ファイバー４７に結合する。Ｅｒドープ光ファイバー４７の一方の端面５０には、ファラデー回転子５１が取り付けられている。Ｅｒドープ光ファイバー４７により励起されその他端面から出射したレーザ光は、レンズ５２により集光され、ファラデー回転子５３、波長板５４を通過して可飽和吸収ミラー４８により反射される。レーザ共振器は、可飽和吸収ミラー４８とファラデー回転子５１が取り付けられた端面５０により構成される。可飽和吸収ミラー４８は、反射率が９５％に設定されていて、出力ミラーとして用いられる。可飽和吸収ミラー４８を含む出力部５５が光学ヘッド基台３８に固定されている。

可飽和吸収ミラー４８から出射した短パルス光（１５６０ｎｍ）は、図７の光ヘッドと同様に、対物レンズ４２を含む光学系により、記録媒体である光ディスク４３上に集光され、光ディスク４３からの反射光は、検出器４５に導かれ、サーボ検出や再生信号検出に用いられる。

本実施の形態の構成では、Ｅｒドープファイバー４７が、出力部５５に配置された可飽和吸収ミラー４８と励起用半導体レーザ４６の間に位置する。そして、励起用半導体レーザ４６と出力部５５が各々別の基台、すなわち、放熱基台３５と光学ヘッド基台３８に固定されている。したがって、光学ヘッドの構成要素のうち、光学ヘッド基台３８上に設置される部分を、コンパクト／軽量に設計できる。

本発明の超短パルスレーザ装置によれば、コンパクトな構成で共振器長を１ｍ以上に設定でき、またモード同期が生じるため、繰り返し周波数数１００ＧＨｚに対して、ピコ秒以下の短パルス光を発生可能であり、十分なピーク出力を安定して得ることができる。また、共振器内で発振するレーザ光の偏光方向が単一偏光に保持されるため、モード同期に有利であり、安定な高効率発振により高いピーク出力が得られる。したがって、光通信分野や光情報処理分野での用途に極めて有用である。

本発明の実施の形態１における超短パルスレーザ装置の概略構成図 同超短パルスレーザ装置に用いられる半導体可飽和吸収ミラーの断面図 本発明の実施の形態２における超短パルスレーザ装置の概略構成図 本発明の実施の形態３における超短パルスレーザ装置の概略構成図 本発明の実施の形態４における超短パルスレーザ装置に用いられるフォトニックファイバーの断面図 本発明の実施の形態５における超短パルスレーザ装置の概略構成図 本発明の実施の形態７における光ヘッドの概略構成図 本発明の実施の形態７における光ヘッドの概略構成図 従来のフェムト秒レーザの概略構成図

符号の説明

１、２４ 励起用半導体レーザ
２ 固体レーザ媒質
３ 光ファイバー
４ 可飽和吸収ミラー
５ バンドパスフィルタ
６、９、１７、１８ レンズ
７ 第１の端面
８ 第２の端面
１０ 出力ミラー
１１ ＧａＡｓ基板
１２ 反射層
１３ バッファー層
１４、１５ 可飽和吸収層
１６ 第２の励起用半導体レーザ
１９ シリカ
２０ エアホール
２１ コア
２２ クラッド
２３ 導波路型固体レーザ媒質
２５ 偏光保持光ファイバー
２６ 強誘電体結晶基板
２７ 光導波路
２８ 方向性結合器
２９ 第１の端面
３０ 第２の端面
３１、３２ 電極
３３ 第１の端面
３４ 第２の端面
３５ 分極反転
３６ 放熱基台
３７、５５ 出力部
３８ 光学ヘッド基台
３９、５２ レンズ
４０ ビームスプリッタ
４１ ミラー
４２ 対物レンズ
４３ 光ディスク
４４ 検出光学系
４５ 検出器
４６ 励起用半導体レーザ
４７ 遷移元素ドープされた光ファイバー
４８ 可飽和吸収ミラー
４９ 結合器
５０ 端面
５１、５３ ファラデー回転子
５４ 波長板
６０ 励起用レーザ
６１ ミラー
６２ 凹面鏡
６３ 固体レーザ媒体
６４ 可飽和吸収ミラー
６５ 出力ミラー
６６、６７ プリズムペアー

Claims (13)

1. 単一偏光の励起用半導体レーザと、単一偏光で発振する固体レーザ媒質と、偏光方向を保持する光ファイバーと、可飽和吸収ミラーとを備え、
   前記光ファイバーと前記可飽和吸収ミラーの間に前記固体レーザ媒質が配置され、
   前記励起用半導体レーザから出射したレーザ光が前記光ファイバーの第１の端面に光結合し、前記光ファイバーの第２の端面から出射したレーザ光により前記固体レーザ媒質が励起され、
   前記光ファイバーの第１の端面と、前記可飽和吸収ミラーにより、レーザ共振器が構成される超短パルスレーザ装置。
2. 前記光ファイバーの第１の端面に、前記励起用半導体レーザ光に対して低反射率で、レーザ共振器で発振する光に対しては高反射率である誘電体多層膜が形成されている請求項１に記載の超短パルスレーザ装置。
3. 前記光ファイバーが、フォトニックファイバーである請求項１に記載の超短パルスレーザ装置。
4. 前記固体レーザ媒質が、Ｎｄ：ＹＶＯ₄、Ｎｄ：ＧｄＶＯ₄、またはＣｒ：ＬｉＳＡＦにより構成されている請求項１に記載の超短パルスレーザ装置。
5. 単一偏光の励起用半導体レーザと、強誘電体結晶基板上に形成され単一偏光で発振するとともに導波路損失可変部を有する導波路型固体レーザ媒質と、偏光方向を保持する光ファイバーとを備え、
   前記光ファイバーの第１の端面と前記導波路型固体レーザ媒質の第１の端面が光結合するように対向し、
   前記励起用半導体レーザから出射したレーザ光が、前記光ファイバーの第２の端面、または前記導波路型固体レーザ媒質の第２の端面から光結合することにより、前記導波路型固体レーザ媒質を光励起し、
   前記光ファイバーの第２の端面と、前記導波路型固体レーザ媒質の第２の端面によりレーザ共振器が構成される超短パルスレーザ装置。
6. 前記導波路損失可変部は、前記強誘電体結晶基板上に形成された方向性結合器により構成された請求項５に記載の超短パルスレーザ装置。
7. 前記導波路型固体レーザ媒質は、波長変換部を有する請求項５に記載の超短パルスレーザ装置。
8. 請求項１記載の超短パルスレーザ装置を備え、
   前記超短パルスレーザ装置は、出力取り出し部が設けられて、前記出力取り出し部と前記励起用半導体レーザの間に前記光ファイバーが配置された構成を有し、
   前記励起用半導体レーザは放熱基台に固定され、前記出力取り出し部は、前記放熱基台とは別体の光学ヘッド基台に固定された光学ヘッド。
9. 前記出力取り出し部が、前記可飽和吸収ミラーである請求項８記載の光学ヘッド。
10. 単一偏光の励起用半導体レーザと、遷移元素ドープされた光ファイバーと、可飽和吸収ミラーからなる短パルスレーザを備え、
    前記超短パルスレーザ装置は、出力取り出し部が設けられて、前記出力取り出し部と前記励起用半導体レーザの間に前記光ファイバーが配置された構成を有し、
    前記励起用半導体レーザは放熱基台に固定され、前記出力取り出し部は、前記放熱基台とは別体の光学ヘッド基台に固定された光学ヘッド。
11. 前記出力取り出し部が、前記可飽和吸収ミラーである請求項１０記載の光情報処理装置。
12. 請求項８に記載の光学ヘッドと、前記光学ヘッドにおける前記短パルスレーザから出射した光を記録媒体に導くための光学系と、前記記録媒体からの反射光を検出するための光学系とを備え、前記記録媒体に対する情報の記録および再生を行う光情報処理装置。
13. 請求項１０に記載の光学ヘッドと、前記光学ヘッドにおける前記短パルスレーザから出射した光を記録媒体に導くための光学系と、前記記録媒体からの反射光を検出するための光学系とを備え、前記記録媒体に対する情報の記録および再生を行う光情報処理装置。

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