JP2005217281A - マルチパス増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】 高出力のレーザ光を安定して得るマルチパス増幅器を提供する。
【解決手段】 励起光源と、被増幅光を発生する被増幅光光源と、該励起光源から発生する励起光を透過し、該被増幅光光源から発生する被増幅光を反射するダイクロイックミラーＭ３と、入射する被増幅光を増幅し増幅光として出射するレーザ媒質と、この励起光及び増幅光を反射する光反射手段Ｍ１〜Ｍ１０とを具備してなるマルチパス増幅装置において、該レーザ媒質を通過させる増幅光の集光点をレーザ媒質の入射端近傍に設定したことを特徴とするマルチパス増幅器。
【選択図】 図１

Description

本発明は、増幅器内に配置したレーザ媒質によって入射レーザパルスを増幅し、レーザ加工及び非線形光学を用いたレーザ計測に応用することのできる極短パルスレーザ光を高出力で且つ安定に得ることのできるマルチパス増幅器に関する。

パルスエネルギーの小さなレーザ光を増幅する技術として、再生増幅器とマルチパス増幅器との２種類の構成が知られている。

再生増幅器は、一般に、非常に小さなエネルギのレーザパルスを多数回レーザ媒質を往復させることにより、マルチパス増幅器の入射パルス程度に増幅することを目的とするものである。その構成は、最低２枚の反射鏡を対向させて光共振器としてレーザ媒質を構成するものであり、共振器の光軸に合わせて入射パルスを導入し、共振器中を複数回往復させることで入射パルスに利得を与える。この再生増幅器は、レーザ光の偏光特性を利用し、共振器内に配置した偏光スイッチと偏光ビームスプリッタとを用いて入射パルスの取り込み増幅と増幅パルスの取り出しとを行うものである。

マルチパス増幅器は、レーザ媒質を１回、あるいは数回通過させ、一般に、１回あるいは数回の増幅で飽和利得に到達する程度の、ある程度大きなエネルギを有するレーザパルスを入射パルスに使用する。このマルチパス増幅器の構成は、レーザ媒質を通過するレーザ光の光軸を、複数の反射鏡を用いてわずかにずらして反射させることにより、共振器を構成せずに数回にわたってレーザ光に利得を与えるものである。

図５は、下記特許文献１に開示されたマルチパス増幅器の構成図である。このマルチパス増幅装置１は、励起光源２、被増幅光光源３、ダイクロイックミラー４、利得媒質５、一対の共焦点レンズ６，７、光反射手段８、全反射ミラー９、ビームストッパ１０から概略構成されるもので、２光路増幅のマルチパス増幅装置である。

励起光源２としては、銅蒸気レーザなどに比べ扱いが容易で、なおかつ高繰り返しが可能な、共振器内倍波発生ｃｗ−ＱスイッチＹＡＧレーザ（１〜５ｋＨｚ）が好適に用いられる。また、被増幅光光源３としては、１５０フェムト秒の光パルスを発生させることができる受動モード同期チタンサファイア（Ｔｉ：Ａｌ_２Ｏ_３）レーザが好適に用いられる。

レーザ媒質５は、共焦点レンズ６，７の焦点位置に配置され、入射する励起光を吸収することにより被増幅光を増幅し増幅光として出射するもので、利得帯域が広く、蛍光寿命が長く（３マイクロ秒）かつタイミング制御が容易な、チタンサファイア（Ｔｉ：Ａｌ_２Ｏ_３）結晶が好適に用いられる。

光反射手段８は、共焦点レンズ７を透過した励起光及び増幅光を全反射しこれらの光を平行移動させ再度共焦点レンズ７に入射させるもので、折り返し直角プリズムまたはルーフレフレクタのいずれか一方が好適に用いられる。

このマルチパス増幅装置１の作用について説明する。まず、ダイクロイックミラー４により励起光Ｌ_１を反射し被増幅光Ｌ_２を透過することで入射方向の異なるこれらの光を重ね合わせ、次いで、共焦点レンズ６によりこれらの光Ｌ_１，Ｌ_２をレーザ媒質５中に集光させる。

レーザ媒質５中では、励起光Ｌ１を吸収し（一部透過）被増幅光Ｌ２の増幅を行う。次いで、共焦点レンズ７により該レーザ媒質５から出射した励起光Ｌ１１及び増幅光Ｌ２１を平行光とする。次いで、光反射手段８により励起光Ｌ１１及び増幅光Ｌ２１を全反射しこれらの光を平行移動させ、再度共焦点レンズ７を透過させて利得媒質５中に入射させる。該レーザ媒質５中では励起光Ｌ１１を吸収し（一部透過）増幅光Ｌ２１を更に増幅させる。

レーザ媒質５から出射した残留励起光Ｌ１２及び増幅光Ｌ２２は再度共焦点レンズ６に入射し平行光となる。該残留励起光Ｌ１２及び増幅光Ｌ２２はダイクロイックミラー４により残留励起光Ｌ１２が除去され増幅光Ｌ２２のみとなって出射される。

この発明において、『利得媒質５は、共焦点レンズ６，７の焦点位置に配置され、入射する励起光を吸収することにより被増幅光を増幅し増幅光として出射する』なる記載があり、利得媒質即ちレーザ媒質内に焦点が設けられている。このように、増幅光の集光点をレーザ媒質（利得媒質；結晶）の中央部に設定している。

同様に、下記特許文献２には、フェムト秒領域の短パルス光を高出力で且つ安定に発生し得る装置を提供することを目的として、レーザ媒質、高分散ブリュースタープリズム対及び可飽和吸収色素ジェットを備えたファブリペロー型レーザー共振器に、励起用レーザ光源から連続光を入射して励起し、定常的連続モード同期状態のパルス列を発生させ、増幅用レーザー光源から増幅用励起パルス光を入射して高利得増幅媒質として作用させることにより、高出力で且つ安定なフェムト秒領域の出力パルス光を発生することが開示されている。この発明においても、『増幅用励起パルス光２３とパルス列２２はレーザ媒質１中で空間的に一致させる』なる記載があり、レーザ媒質内に焦点が設けられている。

又、下記特許文献３には、平均出力が非常に高く、極端に短いパルスを出力調整して放出でき、できる限り簡単で経費をかけないで形成することを目的として、少なくとも一つの円板、好ましくは増幅帯域幅の広いレーザアクティブ結晶、特に「準三レベル」系の薄い円板を有するレーザ共振器と、レーザモードを位相結合する装置と、分散を補償する装置と、をそれぞれ備えた極端に短い光パルスを発生するレーザシステムにあって、位相結合する装置は受動的な非線形素子で構成され、分散を補償するプリズムを用いていないことが開示されている。この発明においても、『レーザー共振器内の大体両方の鏡９と１０の間に他の焦点を設け、この焦点のところに純粋に自己集束用に適当な非線形の透明な光物質１１を配置すると有利である。』なる記載があり、非線形の透明光学部材１１内に焦点が設けられている。

特開平５−２４３６５６号公報 特開平６−１５２０１５号公報 特開平１１−２８９１２０号公報

ところで、従来のマルチパス増幅器は、レーザ結晶を通す増幅光の集光点をレーザ結晶の中央部に設定している。そのため、レーザ結晶の中央部においてレーザビームのパワー密度が最大となり、最大パワー密度が結晶の閾値を超えると破損が発生るという問題があった。

本発明の目的は、レーザ媒質の中央部でレーザビームの密度が最大となることによるレーザ媒質の破損を防止し、高出力のレーザ光を安定して得るマルチパス増幅器を提供することにある。

本発明者は、通過するレーザビームの集光点をレーザ媒質の中央部から逸らすことにより上記課題が解決されることを見出し本発明に到達した。

即ち、本発明はマルチパス増幅器の発明であり、励起光源と、被増幅光を発生する被増幅光光源と、該励起光源から発生する励起光を透過し、該被増幅光光源から発生する被増幅光を反射するダイクロイックミラーと、入射する被増幅光を増幅し増幅光として出射するレーザ媒質と、この励起光及び増幅光を反射する光反射手段とを具備してなるマルチパス増幅装置において、該レーザ媒質を通過させる増幅光の集光点をレーザ媒質の入射端近傍に設定する。ここで、本発明が適用されるマルチパス増幅器としては、前記光反射手段を複数個具備しているものが好ましい。

超短パルスレーザにおいて大きな出力を得るためにマルチパスアンプ増幅方式が良く使われるが、大出力を得るためには破損限界に近い強度の光をレーザ結晶に通す必要があり、結晶の破損が起こり易い。本発明では、結晶を通す増幅光の集光点を結晶の入射前に設定し、光の増幅に従いビーム径が広がるようにすることにより結晶の破損を回避する。

本発明は、短パルスレーザ、特にフェムト秒レーザやピコ秒レーザのマルチパス増幅器に好適に適用される。

レーザ媒質（利得媒質；結晶）内での光の増幅に従い、ビーム径が広がるようにしたので、レーザ媒質内でのレーザビームのパワー密度を低下させることができ、レーザ媒質が破損することを効果的に防止できる。これにより、高出力のレーザ光を安定して得るマルチパス増幅器を提供することができる。

図１のマルチパス増幅器の構成を参照して、本発明によるマルチパス増幅器を説明する。図１は本発明のマルチパス増幅器の構成例を示す平面図（図１（ａ））と側面図（図１（ｂ））である。本例では３パス増幅器を示す。

先ず、調整用励起光がレンズＬ１及びＬ２、更にミラーＭ３を透過してマルチパス増幅器に導入され、チタンサファイア結晶（Ｔｉ：Ｓａｐ）等のレーザ媒質１を励起して、マルチパス増幅器を自己発振で動作させる。入力された増幅光は、各ミラーＭ１〜Ｍ１０で反射されるとともに、図１ではチタンサファイア結晶を３回通過させて増幅している。ここで、Ｍ１，Ｍ６，Ｍ７，Ｍ８，Ｍ９及びＭ１０は平面全反射ミラー、Ｍ２，Ｍ５は凹面全反射ミラー、Ｍ３，Ｍ４は波長７８０ｎｍを反射し，波長５２７ｎｍを透過するダイクロミックミラーである。第１回目の増幅は、Ｍ３→Ｍ４であり、第２回目の増幅は、Ｍ７→Ｍ８であり、第３回目の増幅は、Ｍ９→Ｍ１０である。

チタンサファイア結晶の両側に位置するミラーＭ２及びＭ５表面におけるレーザ光は図２のように示される。又、従来のマルチパス増幅器におけるチタンサファイア結晶でのレーザ光の軌跡は図３のように示される。３回通過するレーザ光（１）〜（３）は全てチタンサファイア結晶の中止部で集光し、集中し蓄積されたレーザエネルギーが該中心部を破壊する。

Ｍ２→Ｍ３→チタンサファイア結晶までの光路長をｄ１とし、Ｍ５→Ｍ４→チタンサファイア結晶までの光路長をｄ２とし、凹面鏡でもあるミラーＭ２及びＭ５の焦点距離をｆとする。従来のマルチパス増幅器では、
ｆ ＝ ｄ１ ＝ ｄ２
であった。これに対して、本発明では、
ｆ ＜ ｄ１ ＝ ｄ２
である。即ち、レーザ媒質を通過させる増幅光の集光点をレーザ媒質の入射端近傍に設定する。

前記説明では、１対の凹面全反射ミラーＭ２及びＭ５を用いて、レーザ媒質を通過させる増幅光の集光点をレーザ媒質の入射端近傍に設定したが、同様に、１対の共焦点レンズを用いて、レーザ媒質を通過させる増幅光の集光点をレーザ媒質の入射端近傍に設定することもできる。

図４に、レーザ媒質（結晶）内での各パラメータの変化を示す。
図４（ａ）は、従来のマルチパス増幅器であり、焦点が結晶内部に有る場合の、レーザ媒質（結晶）内での各パラメータの変化を示す。通常は前述の定義において
ｆ ＝ ｄ１ ＝ ｄ２
となるようにミラー類を配置する。従来方法で光学部品を配置した場合、ビームの集光点は結晶のほぼ中央に来る。破損の目安となるパワー密度はビームパワーとビーム面積によって決まるため、集光点が結晶内に存在するとパワー密度の極大値は結晶内に存在し、結晶中央部で破損が発生しやすい。即ち、結晶内でパワー密度が結晶自体の持つ閾値を超えると破損が発生する。

図４（ｂ）は、結晶をビームが透過した後に焦点が有る場合の、レーザ媒質（結晶）内での各パラメータの変化を示す。結晶の破損を防止する最も簡単な方法は焦点位置を結晶の外側にずらすことである。
ｆ ＞ ｄ１ ＝ ｄ２
となるようにミラー類を配置する場合である。ビームが結晶透過後に集光するように配置すると、結晶後部でかえってパワー密度は高くなり、結晶後部より破損の発生が誘発される。

図４（ｃ）は、結晶をビームが透過する前に焦点が有る場合の、レーザ媒質（結晶）内での各パラメータの変化を示す。
ｆ ＜ ｄ１ ＝ ｄ２
となるようにミラー類を配置する場合である。破損の目安となるパワー密度に極大値はなく、結晶内で破損を起こさない範囲内に収まっている。図４（ｃ）より、結晶内でパワー密度は異常な値（閾値）を超えないことが分る。よって、破損を防止するには集光点を結晶透過前に持って来る事が有効であることが分る。

本発明により、フェムト秒レーザ等の超短パルスレーザのマルチパス増幅器を高出力且つ安定とすることができ、その用途を拡大させることに役立つ。

本発明のマルチパス増幅器の構成例を示す平面図（図１（ａ））と側面図（図１（ｂ））である。 チタンサファイア結晶の両側に位置するミラーＭ２及びＭ５表面におけるレーザ光の様子を示す。 従来のマルチパス増幅器におけるチタンサファイア結晶でのレーザ光の軌跡を示す。 レーザ媒質（結晶）内での各パラメータの変化を示す。 レーザ光マルチパス増幅器の構成図の一例を示す。

Claims (6)

1. 励起光源と、被増幅光を発生する被増幅光光源と、該励起光源から発生する励起光を透過し、該被増幅光光源から発生する被増幅光を反射するダイクロイックミラーと、入射する被増幅光を増幅し増幅光として出射するレーザ媒質と、この励起光及び増幅光を反射する光反射手段とを具備してなるマルチパス増幅装置において、該レーザ媒質を通過させる増幅光の集光点をレーザ媒質の入射端近傍に設定したことを特徴とするマルチパス増幅器。
2. １対の凹面反射ミラーを用いて、前記レーザ媒質を通過させる増幅光の集光点をレーザ媒質の入射端近傍に設定することを特徴とする請求項１に記載のマルチパス増幅器。
3. １対の共焦点レンズを用いて、前記レーザ媒質を通過させる増幅光の集光点をレーザ媒質の入射端近傍に設定することを特徴とする請求項１に記載のマルチパス増幅器。
4. 前記光反射手段を複数個具備していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のマルチパス増幅器。
5. 前記マルチパス増幅器が超短パルスレーザのマルチパス増幅器であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のマルチパス増幅器。
6. 前記超短パルスレーザがフェムト秒レーザであることを特徴とする請求項５に記載のマルチパス増幅器。

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