JP2006173419A - 非平行平面鏡対を用いた超短パルスレーザー発振器 - Google Patents

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Abstract

【課題】 操作の簡便性と省スペース・低コストを向上させた超短パルスレーザー発振器を提供することを目的としている。
【解決手段】 本発明は、半導体レーザーの出力をレーザー媒質に集光して利得媒質を作り、それを共振器内に挿入してレーザー発振を実現し、かつ共振器内の分散を分散補償用平面鏡により補償して、等時間間隔のモード同期パルス列を得る。この分散補償用の平面鏡対を、非平行に設置し多重反射させて、入射と正反対方向に戻すよう配置した。
【選択図】 図４

Description

本発明は、非平行平面鏡対による分散補償または共振器長の切換え装置を組み入れた超短パルスレーザー発振器に関する。
超短パルスレーザー発振器は、主にレーザー媒質（CR）のカーレンズ効果や半導体過飽和吸収鏡（SESAM）等を用いて利得・損失を自動的に時間変調させる受動モード同期の方法（図１、(A or B)）を用いて製作されている。カーレンズ効果を用いた方法は、特にカーレンズモード同期と呼ばれている。
図１は受動モード同期レーザーの一般的な実験配置図であり、端面鏡（HR）と２つの凹面鏡（R1 and R2）、及び出力鏡（OC）あるいは凹面鏡（R3）とSESAMでレーザー共振器を構成している。半導体レーザー（LD）の出力をレンズ（L）と凹面鏡(R1)を通してレーザー媒質(CR)に集光して利得媒質を作る。それを共振器内に挿入してレーザー発振を実現させている。カーレンズモード同期の場合（A）には端面鏡OCの近くにスリットSLを置き、あるいはSESAM等の受動素子を挿入したりして（B）、共振器内損失を自動的に時間変調する。共振器内の分散を分散補償用平面鏡であるチャープミラーの対（CM1 and CM2）等でうまく補償してやることにより、出力鏡(OC)または凹面鏡(R3)から等時間間隔のモード同期パルス列を得る事が出来る。
超短パルスレーザー発振器で今まで用いられてきた分散補償用の平面鏡対（M1, M2）は、図２で示した様にお互いに平行になる様な設置法であり、もう一つの鏡（M3）で反対方向に反射してやる必要があった。部品点数が多く、コストとサイズという点で問題があった。更に、この装置の操作方法に於いても色々なパラメータを調整してやる必要があり、かなり問題があった。例えば、一番簡単と思われる切換え操作方法は、平面鏡対（M1, M2）を平行に保って一緒に回転させる方法であるが、実際正確に平行に設定すること、そしてそのまま回転させる事が実際上かなり難しく、ビームの方向に狂いが出て来てしまい、もう一つの鏡M3を大幅に調整しなければならないのが実情であり、操作性が非常に悪かった。
また、超短パルスレーザー発振器において、非常に長い共振器長を用いて高パルスエネルギーを発生しようという試みがなされている。この場合、共振器が長くても、ほぼ同じ平均出力が期待できるので、パルスエネルギーとしては共振器長に比例して高い超短光パルスが発生できるからである。非常に長い光路長を図２で示した様な平行平面鏡対で得ようとした場合に、やはり同様に操作の簡便性と省スペース・低コストという観点から問題があった。
本発明は、係る問題点を解決して、操作の簡便性と省スペース・低コストを向上させた超短パルスレーザー発振器を提供することを目的としている。
本発明の超短パルスレーザー発振器は、半導体レーザーの出力をレーザー媒質に集光して利得媒質を作り、それを共振器内に挿入してレーザー発振を実現し、かつ共振器内の分散を分散補償用平面鏡により補償して、等時間間隔のモード同期パルス列を得る。この分散補償用の平面鏡対を、非平行に設置し多重反射させて、入射と正反対方向に戻すよう配置したことを特徴としている。
本発明を用いることにより、小型で操作しやすい高パルスエネルギー超短光パルス光源が可能となるので、レーザー加工・レーザー医療用等への応用が期待できる。
本発明は、超短パルスレーザー発振器の共振器内に分散補償用の平面鏡対を非平行に設置して、多重反射させて入射と正反対方向に戻してやる事により、小型でより操作しやすい超短パルス光源を製作する。
（実施の形態１）
図４は、本発明の超短パルスレーザー発振器を具体化する受動モード同期Yb:YAGレーザー発振器の実験配置図である。端面鏡OCの近くにスリットSLを配置する構成（Ａ）、あるいはSESAM等の受動素子と凹面鏡(R3)の組合せ構成（Ｂ）等を用いて、等時間間隔のモード同期パルス列を得る点自体は、前述した従来技術と同じである。
SESAM等の受動素子と凹面鏡(R3)の組合せ構成（Ｂ）を用いる場合、３つの凹面鏡（R1−R3）と２つの平面鏡（CM1,CM2）と半導体過飽和吸収鏡（SESAM)でレーザー共振器を構成している。半導体レーザー（LD）の出力を、レンズ（L）と凹面鏡(R1)を通してレーザー媒質Yb:YAG（CR）に集光し、レーザー共振器内に利得媒質を作り、レーザー発振を実現している。
図示の例において、平面鏡(CM1, CM2)と凹面鏡(R3)に共振器内の分散を補償するためのチャープミラーを用いた。例示の分散補償切換え装置内のチャープミラーの往復反射回数は１１回（N=5）、レーザー共振器内１往復当たりのチャープミラーの反射回数は１３回となっている。
図示の分散補償用の平面鏡対(CM1, CM2)について、さらに図３を参照して説明する。図３に示すように、互いに非平行に設置した平面鏡対（M1, M2）により、分散補償または共振器長の切換え装置を構成する。平面鏡M1とM2の成す角度αと入射角度θとの関係がθ＝Nα（N：奇数）になった時、入射方向から入って来たと光線を正反対方向に返す事が出来る。図３は、N = 5の時のものである。光線の１往復当たりの反射回数は2N+1となっており、分散補償切換え装置の場合この数字の大小で分散を制御する。一方、切換え装置内の１往復当たりの光路長Lを、M2上における入射光の最初の反射点から出射光の最後の反射点までの長さと定義すると、２つの平面鏡が平行に近いと考えれば、平面鏡間の平均距離をDとするとL ≒ 2NDとなり、共振器長切換え装置の場合この数字の大小で共振器長を制御する。尚、平面鏡M2上での移動距離は、αが十分小さい近似を考えれば、2D(tan2α＋tan4α＋…＋tan(N-1) α)≒2Dα(2＋4＋…＋(N-1))＝Dα(N2-1)／2で与えられるが、普通この値は鏡M2の直径dで制限されるので、光路長Lを得るためのM1の傾き角αは、α<８dD／（L2-４D2）を満足する値とする。この切換え装置の場合、部品点数を減らしているので、コストとサイズをかなり減らせる利点がある。更に操作性の面でも、平面鏡M1の水平方向の角度だけ制御すれば良いので、かなり改善される。
図５は、受動モード同期Yb:YAGレーザーのスペクトルを表したものであり、スペクトル幅は 5.5 nm (FWHM)、凹面鏡R3からの出力は3.8 mWであった。その時のパルス幅は、フーリエ限界sechパルスを仮定すると180fsに相当している。小型で操作しやすい超短パルスレーザー光源を開発できた。
（実施の形態２）
超短パルスレーザー発振器の共振器内において、分散補償用（または高反射）の平面鏡対を非平行に十分大きい間隔で設置し、多重反射させて入射と正反対方向に戻してやる事により、非常に長い共振器長、即ち低い繰り返し周波数が、小型でより操作しやすい装置で実現できる。共振器が長くても、ほぼ同じ平均出力が期待できるので、共振器長に比例して高いパルスエネルギーの超短光パルスが発生できる。図４（A or B）において、チャープミラー対（CM1, CM2）の間隔を十分大きく取ることが可能となる。
例えば、平均パワー１Wの超短パルスレーザー発振器を１MHzで発振させた場合、パルスエネルギーは１μJとなるが、共振器長は１５０mである。１m離した25 mm径の鏡２枚を、図３の様に設置した場合、D＝1、d＝0.025，L＝300と置いてα<８dD／（L2-４D2）よりαの上限を求めると、α< 2.2μradとなる。0.7μradの角度コントロール分解能を持つミラーホールダーが既に市販されているので、この超短パルスレーザー発振器の製作は可能である。
従来の超短パルスレーザー発振器の実験配置図。 従来の平行平面鏡対（M1, M2）と光線折り返しのための平面鏡M3を用いた分散補償または共振器長の切換え装置の概念図。 非平行平面鏡対（M1, M2）を用いた分散補償または共振器長の切換え装置の概念図。 受動モード同期Yb:YAGレーザー発振器の実験配置図。 受動モード同期Yb:YAGレーザー発振器のスペクトル。

Claims (6)

  1. 半導体レーザーの出力をレーザー媒質に集光して利得媒質を作り、それを共振器内に挿入してレーザー発振を実現し、かつ共振器内の分散を分散補償用平面鏡により補償して、等時間間隔のモード同期パルス列を得る超短パルスレーザー発振器において、
    前記分散補償用平面鏡対を、非平行に設置し多重反射させて、入射と正反対方向に戻すよう配置した、超短パルスレーザー発振器。
  2. 前記非平行の平面鏡対の間隔を大きくすることにより、長いレーザー共振器長を実現した請求項１に記載の超短パルスレーザー発振器。
  3. 前記非平行の平面鏡対における反射回数の大小によりレーザー共振器長を変えて、長いレーザー共振器長を実現した請求項１に記載の超短パルスレーザー発振器。
  4. 前記非平行の平面鏡対における反射回数の大小によりレーザー共振器長を変えて、レーザー発振の繰り返し周波数の切り換え制御を行う請求項１に記載の超短パルスレーザー発振器。
  5. 前記非平行の平面鏡対における反射回数の大小によりレーザー共振器長を変えて、レーザー発振の安定条件の制御を行う請求項１に記載の超短パルスレーザー発振器。
  6. 前記長いレーザー共振器長を実現することにより、パルスエネルギーの高い超短光パルスの生成を達成する請求項２及び３に記載の超短パルスレーザー発振器。
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