JP2004186456A

JP2004186456A - レーザー発振器及び光パラメトリック発振器並びにその発振方法

Info

Publication number: JP2004186456A
Application number: JP2002352118A
Authority: JP
Inventors: Hisafumi Hazama; 寿文挾間; Je Jan; ジェジャン
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-12-04
Filing date: 2002-12-04
Publication date: 2004-07-02

Abstract

【課題】従来の光パラメトリック発振器においては、１０ＧＨｚの高繰返し光パラメトリック発振を得るためには、光パラメトリック発振器の共振器長を１５ｍｍにする必要があるが、この構成は事実上不可能であった。１０ＧＨｚ以上で発振する半導体レーザーやファイバレーザーが期待できるが，十分な励起パワーが得られにくいことから、１０ＧＨｚ以上の光パラメトリック発振は困難であると思われていた。
【解決手段】本願発明は、レーザー発振器及び光パラメトリック発振器とこれらを発振させるための励起用レーザーの共振器長の選択により、レーザー発振器及び光パラメトリック発振器の発振周波数を極めて高い自由度で１０ＧＨｚを超える高繰り返し領域まで可変とした。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー発振器及び光パラメトリック発振器とこれらを発振させるための励起用レーザーの共振器長の選択により、レーザー発振器及び光パラメトリック発振器の発振周波数を極めて高い自由度で１０ＧＨｚを超える高繰り返し領域まで可変とすることのできる発振方法であり、光通信帯域に使用される超高速光デバイスや新しい光材料・光素子の特性評価に適用することができるものである。
【０００２】
【従来の技術】
本発明に係わる発振方法は、従来同期励起法と称されている方法を拡張したものである。同期励起法は、色素レーザーの短パルス化を行うための励起手法の１つとして開発された手法であり，励起用パルスレーザーの光パルスの間隔とレーザー発振器から放出される光パルスの間隔が一致するように両方のレーザー共振器長を正確に一致させることによって実現される（非特許文献１参照）。従って、レーザーの発振周波数は、励起用レーザーの発振周波数と正確に一致することになる。
【０００３】
同期励起法は、光パラメトリック発振器と称される装置にも適用される。光パラメトリック発振器とは、光パラメトリック共振器の中に置かれた非線形光学結晶にパルスレーザー光を集光することにより、非線形光学結晶中に２つの新しい光を発生させ、その発生させた光を共振器内で増幅することにより、共振器内での光強度を高め、ついには出力鏡からコヒーレント光を外部に取り出す装置である。光パラメトリック発振で発生する２つの光の周波数をｆ１、ｆ２とし、これらの光を生み出すレーザー光の周波数をｆ０とすると、３つの光の周波数には、ｆ０＝ｆ１＋ｆ２の関係がある。
【０００４】
光パラメトリック効果は、結晶中で発生する非線形効果に基づくものであるため、通常のレーザー発振とは異なり、結晶中に励起用レーザーが照射されている間だけ２つの新しい光（以下「パラメトリック光」と呼ぶ。）が発生する。この光が光パラメトリック共振器の中を進行し、再び結晶に戻ってきたちょうどそのときに励起用レーザーパルスが結晶中に照射されたときのみ、パラメトリック光は増幅される。これを実現するために、光パラメトリック発振器では同期励起法が用いられ、そのときの光パラメトリック発振器からのパルス列の繰返し周波数は、上記レーザー発振器と同様、励起用レーザーの繰返し周波数と正確に一致する。
【０００５】
色素レーザーに対する同期励起法の適用は、光パルスの短パルス化のために利用されてきた。これに対し、光パラメトリック発振器では、同期励起法を拡張することによって、発振周波数の高繰返し化が行われた。この高繰返し化は、光パラメトリック発振器の共振器内を光が１往復（リング共振器の場合は１周）する時間で決定される発振器固有の周波数をｆ_{ｅｇ−ｏｐｏ}、励起用レーザーの発振周波数をｆ_ｐｕｍｐ、光パラメトリック発振器の実際の発振周波数をｆ_{ｏｕｔ−ｏｐｏ}としたとき、（１）光パラメトリック共振器の共振器長を励起用レーザー共振器長の１／Ｍ倍にする方法、すなわち、ｆ_{ｏｕｔ−ｏｐｏ} ＝ｆ_{ｅｇ−ｏｐｏ} ＝Ｍ・ｆ_ｐｕｍｐ（Ｍは任意の整数）と（２）光パラメトリック共振器の共振器長を励起用レーザー共振器のＮ倍とし、励起用レーザーの発振周波数を高繰返し化する方法、すなわち、ｆ_{ｏｕｔ−ｏｐｏ} ＝Ｎ・ｆ_{ｅｇ−ｏｐｏ} ＝ｆ_ｐｕｍｐ（Ｎは任意の整数）によって行われてきた。
【０００６】
イギリスのＲｅｉｄらは、（１）の方法を図１に示した光パラメトリック発振器に応用し、８６ＭＨｚで発振するフェムト秒チタンサファイアレーザーを励起用レーザーとして、励起用レーザーの４倍の繰返し周波数である３４４ＭＨｚのパラメトリック光を得ている（非特許文献２参照）。励起用レーザーと光パラメトリック発振のパルス列の関係を図２に示す。図１においては、共振器長をコンパクトにするため、非線形光学結晶に誘電体多層膜コートを施し、励起用レーザー波長に対しては透過鏡として、パラメトリック光に対しては高反射率鏡としての機能を持たせている。
一方、Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎらは、２．５ＧＨｚで発振する半導体レーザーシステムを（２）の方法に適用し、パルス幅がピコ秒領域域にある２．５ＧＨｚの光パラメトリック発振を得た（非特許文献３参照）。
【０００７】
【非特許文献１】
Ｓｕｂｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄｌｉｇｈｔｐｕｌｓｅｓｆｒｏｍａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｌｙｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄｄｙｅｌａｓｅｒｗｉｔｈｃｏｍｐｏｓｉｔｅｇａｉｎａｎｄａｂｓｏｒｂｅｒｍｅｄｉｕｍ：Ｇ．Ｗ．Ｆｅｈｒｅｎｂａｃｈ，Ｋ．Ｊ．Ｇｒｕｎｔｚ，ａｎｄＲ．Ｇ．Ｕｌｂｒｉｃｈ，ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．１５，ｐｐ．１５９−１６０，１９７８
【非特許文献２】
Ｃｏｍｐａｃｔｅｆｆｉｃｉｅｎｔ３４４−ＭＨｚｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ−ｒａｔｅｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｏｐｔｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｒｉｃｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ：Ｄ．ＴＲｅｉｄ，Ｃ．ＭｃＧｏｗａｎ，Ｗ．Ｓｌｅａｔ，Ｍ．ＥｂｒａｈｉｍｚａｄｅｈａｎｄＷ．Ｓｉｂｂｅｔｔ，ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．２２，ｐｐ．５２５−５２７，１９９７
【非特許文献３】
２．５−ＧＨｚｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ−ｒａｔｅｓｉｎｇｌｙｒｅｓｏｎａｎｔｏｐｔｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｒｉｃｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｌｙｐｕｍｐｅｄｂｙａｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄｄｉｏｄｅｏｓｃｉｌｌａｔｏｒａｍｐｌｉｆｉｅｒｓｙｓｔｅｍ：Ａ．Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ，Ｍ．Ｅ．Ｋｌｅｉｎ，Ｍ．Ａ．Ｔｒｅｍｏｎｔ，Ｋ．−Ｊ．Ｂｏｌｌｅｒ，Ｒ．Ｗａｌｌｅｎｓｔｅｉｎ，ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２５，ｐｐ．６５７−６５９，２０００
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記（１）の方法による光パラメトリック発振器において、１０ＧＨｚの高繰返し光パラメトリック発振を得るためには、光パラメトリック発振器の共振器長を１５ｍｍにする必要がある。光学素子の組み合わせで共振器を構成しようとする場合、このような短共振器長での光パラメトリック発振器の構成は事実上不可能であることから、１０ＧＨｚ以上の高繰返し発振は困難と考えられていた。
【０００９】
一方、（２）の方法では、１０ＧＨｚ以上で発振する半導体レーザーやファイバレーザーによる励起が期待できるが、十分な励起パワーが得られにくいことから、１０ＧＨｚ以上の光パラメトリック発振は困難であると思われる。また、これらの励起用レーザーのパルス幅はピコ秒以上であり、フェムト秒時間領域での光パラメトリック発振を得ることができない。また、両者に共通する問題として、光パラメトリック発振の繰返し周波数が，励起用レーザーの繰返し周波数の（１）の方法ではＭ倍、（２）の方法では１／Ｎ倍に限られていた。
【００１０】
（１）の発振方法は、１００ｆｓ以下で高出力発振するＴｉ：サファイアレーザーを励起源として利用できるが、レーザー発振器及び光パラメトリック発振器の共振器長が短くなると発振パルス幅の広がりを抑えるための群速度分散補償用プリズム対の共振器内への挿入が困難であった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、光パラメトリック発振器の共振器内を光が１往復（リング共振器の場合は１周）する時間で決定される発振器の固有周波数をｆ_{ｅｇ−ｏｐｏ}、励起用レーザーの発振周波数をｆ_ｐｕｍｐとしたとき、Ｎ・ｆ_{ｅｇ−ｏｐｏ} ＝Ｍ・ｆ_ｐｕｍｐ（Ｎ，Ｍは最大公約数が１となる任意の整数）を満たすような励起用レーザーと光パラメトリック発振器の共振器構成による発振方法を発明した。光パラメトリック発振器の実際の発振周波数をｆ_{ｏｕｔ−ｏｐｏ}としたとき、ｆ_{ｏｕｔ−ｏｐｏ}＝Ｎ・ｆ_{ｅｇ−ｏｐｏ} ＝Ｍ・ｆ_ｐｕｍｐとなる繰返し周波数を光パラメトリック発振器から得ることができる。
【００１２】
図２と図３に、発振周波数ｆ_ｐｕｍｐ＝１００ＭＨｚのレーザー発振器で光パラメトリック発振器を励起するとき、Ｍ＝５，Ｎ＝４、及びＭ＝５，Ｎ＝３を満たすように構成された光パラメトリック発振器から出力される繰返しパルス列の発生機構を示す。Ｍ＝５，Ｎ＝４のとき、光パラメトリック発振器の固有周波数はｆ_{ｅｇ−ｏｐｏ} ＝１２５ＭＨｚに、Ｍ＝５，Ｎ＝３の場合は、ｆ_{ｅｇ−ｏｐｏ} ＝１６６．７ＭＨｚとなるように共振器長が設定される必要がある。このように共振器長を設定したとき、光パラメトリック発振器からの実際の発振周波数はｆ_{ｏｕｔ−ｏｐｏ}＝５００ＭＨｚとなる。このとき、光パラメトリック発振器の共振器長Ｌ_ｏｐｏは、Ｍ＝５，Ｎ＝４のとき、Ｌ_ｏｐｏ＝１．２ｍ、Ｍ＝５，Ｎ＝３のとき、Ｌ_ｏｐｏ＝０．９ｍとなる。このように同じ繰返し周波数でありながら、共振器長の自由度を増加させることができる。さらに、Ｍ＝１００、Ｎ＝９９となるようにそれぞれの共振器長を設定すれば、パラメトリック発振器は励起用レーザーの共振器長とほぼ同じ共振器長により、ｆ_{ｏｕｔ−ｏｐｏ}＝１０ＧＨｚの繰返し周波数を得ることができる。また、１ＧＨｚの励起用レーザーを用い、例えば、Ｍ＝１０、Ｎ＝９となるように共振器長を設定することにより，ｆ_{ｏｕｔ−ｏｐｏ}＝１０ＧＨｚを得ることが可能になる。
【００１３】
光パラメトリック発振器からの発振パルスのパルス幅広がりを抑えるための群速度分散補償用光学素子として、１．３〜１．６μｍの波長領域で負の群速度分散をもつ非線形光学結晶であるＬｉＢ_３Ｏ_５（以下、「ＬＢＯ」と略する。）結晶を導入する。
以上の方法は、レーザー色素や半導体増幅器をレーザー媒質とした同期励起レーザー発振器にも全く同様に適用することが可能である。
【００１４】
【実施例】
図４に、光パラメトリック発振器の実施例を示す。まず、２枚の凹面鏡と２枚の平面鏡により、リング共振器構成をもつ光パラメトリック共振器を構成する。励起用レーザーとして、出力パワー１．１Ｗ、パルス幅５０ｆｓ、中心波長８００ｎｍのフェムト秒チタンサファイアレーザーを使った。リニア共振器構成をもつ励起用レーザーの共振器長は、１８７５ｍｍであり、繰返し周波数は８０ＭＨｚであった。凹面鏡は、このフェムト秒チタンサファイアレーザーパルスが透過し、かつ２つのパラメトリック光のうち短波長側の光に対して可能な限り高い反射率をもつように誘電体多層膜コートを施した。この実施例では短波長側の光として１４００ｎｍの中心波長を採用した。このとき長波長側の光の波長は１８７０ｎｍとなるが、この実施例では長波長側の光は考慮されていない。集光レンズの焦点距離は７０ｍｍである。凹面鏡の曲率半径は１００ｍｍであり、したがって凹面鏡間の距離はほぼ１００ｍｍである。
【００１５】
非線形光学結晶は中心波長１４００ｎｍで広帯域無反射コートが施された長さ２ｍｍの疑似位相整合素子である周期分極反転ニオブ酸リチウム（以下、「ＰＰＬＮ」と略する。）結晶を使用した。ＰＰＬＮの分極反転周期間隔は、２０．２μｍとした。ＰＰＬＮは、オーブンにより０．１℃の精度で、８１℃に保持された。光パラメトリック共振器を構成する平面鏡のうち１枚は、１％の透過率をもち、出力鏡として使用されている。光パラメトリック共振器のリング共振器長は、励起用レーザー共振器と光パラメトリック共振器を光が一周する時間の比がＭ_ｐｕｍｐ：Ｎ_ｏｐｏ＝５：３となるように２２５０ｍｍに設定された。この共振器長は、光パラメトリック発振器の固有発振周波数ｆ_{ｅｇ−ｏｐｏ} ＝１６６．７ＭＨｚに相当する。これにより、励起用レーザーの５倍の周波数である４００ＭＨｚの繰返し周波数をもつパルス列を得ることができる。
【００１６】
上記構成により、光パラメトリック発振を得るために必要な厳密な共振器構成を最初から実現することは困難であった。このため、最初に非線形光学結晶の位置に１．３μｍ帯の発振が可能なＮｄ：ＹＶＯ_４レーザー結晶を配置し、レーザー共振器として動作させた。次にレーザー発振動作が最適になるように共振器の厳密な調節を行った。この調整後、再び非線形光学結晶に置き替えることにより、光パラメトリック発振が可能になった。
【００１７】
図５に、励起用レーザーと光パラメトリック発振器からのパルス列のオシロスコープ写真を示す。パルス列の中にある高いパルスは励起用レーザーパルスと光パラメトリック発振パルスが重畳された結果である。この重畳を取り除くことは可能であるが、励起用レーザーの繰返し周波数を明示するために２つのパルスが重畳された状態で測定を行った。オシロスコープの時間スケールが、２ｎｓ／ｄｉｖであるため、得られた光パラメトリック発振パルス列の繰返し周波数が励起用レーザーの繰返し周波数のちょうど５倍である４００ＭＨｚであることが分かる。この繰返し周波数は、８０ＭＨ×５＝１６６．７ＭＨｚ×３と一致しており、本発明による手法が任意繰返しの光パラメトリック発振を実現できることを示している。
【００１８】
図６に、光パラメトリック発振器から放出された光パルスの自己相関波形とスペクトル波形を示す。自己相関波形から、光パルスのパルス幅が３７０ｆｓであることがわかる。このパルス幅は励起用レーザーのパルス幅５０ｆｓに比べてかなり広がっている。これは、共振器内の群速度分散補償を行っていないためであり、その影響が図に示した２つのピークをもつスペクトル波形に現れている。群速度分散補償をすることにより、光パラメトリック発振パルス幅を励起用レーザーのパルス幅と同程度に抑えることができ、このときスペクトル波形も１つのピークをもつ波形に変化することが知られている。群速度分散補償にはプリズム対が利用されるが、便宜性を考慮して、１．３〜１．６μｍで負の群速度分散をもつ長さ２ｍｍの非線形光学結晶ＬＢＯを共振器内に挿入して、群速度分散補償を行った。このとき得られたスペクトル波形を図７に示す。この図からスペクトル波形が顕著に変化していることが分かる。この結果はＬＢＯ結晶を群速度分散補償に利用できることを示している。スペクトル波形の変化に比較して、パルス幅は顕著に狭くならなかった。これは用いたＬＢＯ結晶の長さが２ｍｍと群速度分散を十分補償するには短すぎたことによるものである。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、光学素子配置等における空間的制約から従来不可能であった１０ＧＨｚの繰返し周波数をもつレーザー発振器及び光パラメトリック発振器を実現することができるとともに、レーザー発振器及び光パラメトリック発振器の発振周波数及び共振器長設定の自由度が大幅に広がる。
【図面の簡単な説明】
【図１】典型的な高繰り返し光パラメトリック発振器
【図２】本発明のＭ：Ｎ＝５：４による１００ＭＨｚ励起用レーザーと５００ＭＨｚ光パラメトリック発振パルス列の関係
【図３】本発明のＭ：Ｎ＝５：３による１００ＭＨｚ励起用レーザーと５００ＭＨｚ光パラメトリック発振パルス列の関係
【図４】本発明の実施例である光パラメトリック発振器
【図５】８０ＭＨｚ励起用レーザーパルス列と４００ＭＨｚ光パラメトリック発振パルス列オシロスコープ写真（時間スケールは２ｎｓ／ｄｉｖ）
【図６】群速度分散補償用非線形光学結晶ＬＢＯがないときの光パラメトリック発振器から出力された光パルスの自己相関波形とスペクトル波形
【図７】群速度分散補償用非線形光学結晶ＬＢＯが挿入されたときの光パラメトリック発振器から出力された光パルスのスペクトル波形

Claims

鏡、集光レンズ、利得媒質としてのレーザー媒質から成るレーザー共振器及び励起用レーザーから構成されるレーザー発振器の発振方法であって、レーザー共振器内及び励起用レーザー共振器内を光が１往復する時間で決定されるそれぞれの固有発振周波数ｆ_{ｅｇ−ｌａｓｅｒ} 、ｆ_ｐｕｍｐが、ｆ_{ｅｇ−ｌａｓｅｒ} ：ｆ_ｐｕｍｐ＝Ｍ：Ｎ（但し、Ｍ，Ｎは最大公約数が１となる任意の整数）の関係を満たすように両者の共振器を構成することにより、出力されるレーザー発振周波数ｆ_{ｏｕｔ−ｌａｓｅｒ}がｆ_{ｏｕｔ−ｌａｓｅｒ}＝Ｎ・ｆ_{ｅｇ−ｌａｓｅｒ} ＝Ｍ・ｆ_ｐｕｍｐなる周波数で発振することを特徴とするレーザー発振器の発振方法。
鏡、集光レンズ、利得媒質としての非線形光学素子から成る光パラメトリック共振器及び励起用レーザーから構成される光パラメトリック発振器の発振方法であって、光パラメトリック共振器内及び励起用レーザー共振器内を光が１往復する時間で決定されるそれぞれの固有発振周波数ｆ_{ｅｇ−ｏｐｏ} 、ｆ_ｐｕｍｐが、ｆ_{ｅｇ−ｏｐｏ} ：ｆ_ｐｕｍｐ＝Ｍ：Ｎ（但し、Ｍ，Ｎは最大公約数が１となる任意の整数）の関係を満たすように両者の共振器を構成することにより、出力される光パラメトリック発振周波数ｆ_{ｏｕｔ−ｏｐｏ}がｆ_{ｏｕｔ−ｏｐｏ}＝Ｎ・ｆ_{ｅｇ−ｏｐｏ} ＝Ｍ・ｆ_ｐｕｍｐなる周波数で発振することを特徴とする光パラメトリック発振器の発振方法。
請求項１記載のレーザー発振器の発振方法において、上記レーザー共振器の利得媒質は、レーザー色素又は半導体増幅器であることを特徴とするレーザー発振器の発振方法。
請求項２記載の光パラメトリック発振器の発振方法において、上記光パラメトリック共振器の利得媒質は、非線形光学結晶又は疑似位相整合素子であることを特徴とする光パラメトリック発振器の発振方法。
請求項２記載の光パラメトリック発振器の発振方法において、上記光パラメトリック共振器内に非線形光学結晶であるＬｉＢ_３Ｏ_５結晶を挿入することにより、群速度分散補償を行うことを特徴とする光パラメトリック発振器の発振方法。
鏡、集光レンズ、利得媒質としてのレーザー媒質から成るレーザー共振器及び励起用レーザーから構成されるレーザー発振器であって、レーザー共振器内及び励起用レーザー共振器内を光が１往復する時間で決定されるそれぞれの固有発振周波数ｆ_{ｅｇ−ｌａｓｅｒ} 、ｆ_ｐｕｍｐが、ｆ_{ｅｇ−ｌａｓｅｒ} ：ｆ_ｐｕｍｐ＝Ｍ：Ｎ（但し、Ｎ，Ｍは最大公約数が１となる任意の整数）の関係を満たすように両者の共振器を構成することにより、出力されるレーザー発振周波数ｆ_{ｏｕｔ−ｌａｓｅｒ}がｆ_{ｏｕｔ−ｌａｓｅｒ}＝Ｎ・ｆ_{ｅｇ−ｌａｓｅｒ} ＝Ｍ・ｆ_ｐｕｍｐなる周波数で発振することを特徴とするレーザー発振器。
鏡、集光レンズ及び利得媒質としての非線形光学素子から成る光パラメトリック共振器並びに励起用レーザーから構成される光パラメトリック発振器であって、光パラメトリック共振器内及び励起用レーザー共振器内を光が１往復する時間で決定されるそれぞれの固有発振周波数ｆ_{ｅｇ−ｏｐｏ} 、ｆ_ｐｕｍｐが、ｆ_{ｅｇ−ｏｐｏ} ：ｆ_ｐｕｍｐ＝Ｍ：Ｎ（但し、Ｎ，Ｍは最大公約数が１となる任意の整数）の関係を満たしように両者の共振器を構成することにより、出力される光パラメトリック発振周波数ｆ_{ｏｕｔ−ｏｐｏ}がｆ_{ｏｕｔ−ｏｐｏ}＝Ｎ・ｆ_{ｅｇ−ｏｐｏｒ} ＝Ｍ・ｆ_ｐｕｍｐなる周波数で発振することを特徴とする光パラメトリック発振器。
請求項６記載のレーザー発振器において、上記レーザー共振器の利得媒質は、レーザー色素又は半導体増幅器であることを特徴とするレーザー発振器。
請求項７記載の光パラメトリック発振器において、上記光パラメトリック発振器の利得媒質は、非線形光学結晶又は疑似位相整合素子であることを特徴とする光パラメトリック発振器。
請求項９記載の光パラメトリック発振器において、上記光パラメトリック共振器内に非線形光学結晶であるＬｉＢ_３Ｏ_５を挿入することにより、群速度分散補償を行うことを特徴とする光パラメトリック発振器。