JP2007214207A - レーザ光発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】共振器中に可飽和吸収体を有するレーザ光発生装置において、短パルス化を図る。
【解決手段】励起光源を含む励起光学系２と、少なくともレーザ媒質５及び可飽和吸収体６を含む固体レーザ共振器２０とより構成されるレーザ光発生装置１において、固体レーザ共振器２０の可飽和吸収体６とレーザ媒質５との間に、励起光減衰部７を設ける構成とする。励起光を可飽和吸収体に入射させないことにより変調深さの低下を抑制し、確実に短パルス化を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、励起光源を含む励起光学系と、レーザ媒質及び可飽和吸収体を含む固体レーザ共振器とより構成されるレーザ光発生装置に関する。

小型パルスレーザとして、半導体パルスレーザや、固体パルスレーザがある。しかし、半導体パルスレーザは短パルスを発生できるものの、高いピークパワーは得られていない。固体パルスレーザでは、高いピークパワーと短いパルス幅が同時に得られるという利点がある。
短パルスを発生できる小型固体パルスレーザの特徴としては、共振器中に可飽和吸収体をもっていることである。可飽和吸収体とは、光の強度とともに損失の変化する媒質である。可飽和吸収体にはＣｒをＹＡＧにドープしたＣｒ：ＹＡＧや、半導体可飽和吸収体などがある。

Ｃｒ：ＹＡＧによる可飽和吸収の過程は、Ｃｒイオンが光を吸収することにより電子状態が上準位へと励起される。ほとんどの電子が上準位に励起され、基底準位の電子が少なくなると光の吸収量が少なくなる。つまり、レーザ共振器においては光の強度が高くなるほど吸収損失が減るということとなる。上準位にある電子は、ある緩和時間により、下準位へ緩和するため、再び吸収量が戻る。つまり光強度が低くなると、吸収損失が増すということになる。

一方半導体可飽和吸収体は、半導体量子井戸構造を有する半導体素子より構成される。この半導体可飽和吸収体に光が入射されると、光により半導体中の電子が量子井戸の上準位へ電子が励起される。しかし、一定量の光量が量子井戸に取り込まれると飽和して電子の上準位への励起が行われなくなり、吸収量が減る。つまり共振器中においては光の強度が高くなるほど損失が減るということとなる。また、上準位にある電子は、ある緩和時間により、下準位へ緩和するため、再び吸収量が戻る。つまり光強度が低くなると、損失が増すということになる。

こういった可飽和吸収体と、レーザ媒質を抱合した小型パルスレーザにおいては、その共振器長とパルス幅とが関係していることが知られており、共振器長を短くすることで、短パルス化が可能である。そこで短パルス化を行う際に、共振器長を短くするため可飽和吸収体と利得媒質を密着させる場合もある。

しかしながら、励起光源には高出力の半導体レーザが用いられることが多い。このためその励起光によってレーザ媒質の温度は数百度にまで達することもある。レーザ媒質と可飽和吸収体とが密着または、接着された構成においては、励起によって発生する熱が可飽和吸収体へ伝わり、その特性を変化させてしまうという問題がある。また、膨張率の違いによっては破損してしまう恐れがある。

こういった問題を回避する方法として、例えば、レーザ媒質と可飽和吸収体との間に、気体層を中間媒質として介在させるとともに、レーザ媒質と可飽和吸収体をそれぞれ独立に保持させる部材を用いることが挙げられる（例えば特許文献１及び２参照。）。
このように気体層を設けることによって、レーザ媒質から可飽和吸収体への熱伝導の影響が緩和されるので、可飽和吸収体への熱の影響を抑えることができるとともに、熱膨張の問題を回避できる。

特開２００４−１２８１３９号公報 特開２００４−３１９７８５号公報

しかしながら、上述したように共振器長を短くして短パルスを得ようとしても、理論計算で予測されるほどパルス幅が短くならないという現象が観測されている。

このような問題に鑑みて、本発明は、小型の固体パルスレーザとして利用可能な共振器中に可飽和吸収体を有するレーザ光発生装置において、短パルス化を図ることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、励起光源を含む励起光学系と、少なくともレーザ媒質及び可飽和吸収体を含む固体レーザ共振器とより構成されるレーザ光発生装置において、固体レーザ共振器の可飽和吸収体とレーザ媒質との間に、励起光減衰部を設ける構成とする。
また本発明は、上述のレーザ光発生装置において、レーザ媒質と可飽和吸収体との間に中間媒質を有する構成としてもよい。
更に本発明は、上述のレーザ光発生装置において、励起光減衰部を、レーザ媒質の可飽和吸収体と対向する側に設ける構成としてもよい。

本発明者等は、上述したように、共振器長を短くし、短パルスを得ようとしても理論計算で予測されるほどパルス幅が短くならないという現象がみられるのは、レーザ媒質と可飽和吸収体とを非常に近接して配置すると、レーザ媒質で吸収しきれなかった励起光が可飽和吸収体に到達することに起因することを見出した。このレーザ媒質で吸収しきれなかった励起光が可飽和吸収体の可飽和を促進し、目的のレーザ発振波長における可飽和吸収の変調深さΔＲを低下させるものと考えられる。つまり、変調深さΔＲが低下してしまうので、短パルス化が達成されないものと考えられる。

したがって、本発明のレーザ光発生装置においては、レーザ媒質と可飽和吸収体の間に励起光減衰部を設けることから、レーザ媒質で吸収しきれなかった分の励起光を減衰させ、可飽和吸収体へほぼ届かないようにすることができる。これにより、共振器長を短くし、レーザ媒質と可飽和吸収体を十分接近させても変調深さを一定に保つことができる。つまり、可飽和吸収体へ照射される励起光を抑制することによって、パルス幅を短くすることができる。

また、本発明のレーザ光発生装置において、レーザ媒質と可飽和吸収体との間に中間媒質を有する構成とする場合は、レーザ媒質から可飽和吸収体への熱伝導の影響を抑制し、可飽和吸収体の性能の変動を抑えることができる。
またこのように中間媒質を設ける場合において、励起光減衰部を、レーザ媒質の可飽和吸収体と対向する側に設けることによって、反射励起光のスポットサイズを小さくすることができるので、レーザ発振のモードとして基本モードを励振しやすくなる。

以上説明したように、本発明のレーザ光発生装置によれば、可飽和吸収体に励起光が照射されることを抑制することによって、短パルス化を図ることができる。

以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
図１は、本発明によるレーザ光発生装置の一実施形態例の概略構成図である。このレーザ光発生装置１は、励起光を発生させる励起光源を含む励起光学系２を備えており、励起光は固体レーザ共振器２０に照射される。固体レーザ共振器２０は、反射部３及び４、レーザ媒質５、可飽和吸収体６と励起光減衰部７とを備えている。可飽和吸収体６と反射部４は、図１に示すように一体化されていてもよく、図示しないが、別々の素子として組み込まれてもよい。
なおこの場合、レーザ媒質５と可飽和吸収体６の間に、中間媒質として気体である空気を介在させた例を示す。このように中間媒質を介在させることにより、レーザ媒質５である結晶から可飽和吸収体６への熱伝導の影響を緩和することができる。空気は熱伝導率が低いので熱を遮断する意味では効果的である。このほか、酸化防止の観点からは窒素ガスを用いることも考えられる。

またこの例においては、励起光減衰部７として、レーザ媒質５の可飽和吸収体６と対向する側の表面に、単層もしくは多層に薄膜が被着されて設けられた例を示す。このように、励起光減衰部７は、レーザ媒質５に一体化してもよく、また後述するように、励起光減衰部を独立して設けてもよい。
その他可飽和吸収体６に一体化される場合や、レーザ媒質５と可飽和吸収体６が励起光減衰部７を挟んだ形で一体化される場合など、種々の構成とすることが可能である。

また、固体レーザ共振器２０に設ける各部の構成としては、機械的な剛性を高めるために、同一の基板に保持される場合や、各部を保持体に固定した後に各々を接合する構成、もしくは各部材を各々保持体に固定した後同一の基板上に接合して構成するなどの種々の構成とすることができる。

励起光減衰部７としては、励起光を選択的に吸収する吸収部でも、選択的に反射する反射部でもよい。また、薄膜状であっても、フィルム状でもよい。
励起光減衰部７として反射部を用いる場合は、できる限りレーザ媒質５の近傍に配置するか、レーザ媒質５そのものに例えば薄膜又はフィルム状として設けることが望ましい。

図２に、この場合のレーザ光発生装置の要部の概略構成図を示す。図２において、入射励起光Ｌｅｉを実線で、反射励起光を破線Ｌｅｒとして示す。図２において、図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
図２に示すように、このような構成とする場合、励起光減衰部７の反射部によって励起光が反射された際に、反射励起光のスポットサイズを小さくすることができるので、レーザ発振のモードとして基本モードを励振しやすくなる。つまり、ビーム品質の確保が容易となることがわかる。

これに対し、可飽和吸収体上に励起光反射部を配置する構成も考えられる。この場合の概略構成図を図３に示す。図３において、図１及び図２と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
図５に示す例では、入射励起光Ｌｅｉが、可飽和吸収体６の入射側に設けた反射部７ｂにより反射され、破線Ｌｅｒで示すようにレーザ媒質５へと再度照射される。これによりレーザ媒質５での励起光スポットが大きくなることがわかる。
なお、励起スポットサイズが大きくなると、レーザ発振のモードとしては、基本モードだけでなく高次の空間モードが励振されやすくなり、場合によってはビーム品質が保持できなくなる恐れがある。

したがって、このように可飽和吸収体６の入射面側、すなわちレーザ媒質５の可飽和吸収体6と対向する面から離間して励起光減衰部を設ける場合は、光吸収係数の高い吸収部を設けることが望ましい。反射部を設ける場合は、上述の図２において説明したように、レーザ媒質５の入射側とは反対側において、できるだけレーザ媒質５に近い位置に配置することが望ましい。

次に、本発明の効果について検討するために、比較例として、従来のレーザ光発生装置において励起光が可飽和吸収体に照射された際の変調深さΔＲの変化を調べた。
以下の例においては、ΔＲの測定方法として、従来の変調深さΔＲ測定法（M. Hamil et al, “Optical characterization of semiconductor saturable absorbers”, Applied Physics B79, (2004), pp331-339”参照）に励起光を可飽和吸収体に照射する手段を加えて、反射率変化つまり変調深さΔＲについて調べた。測定系の概略構成図を図４に示す。

図４に示すように、この場合、基板１４上に反射部１５及び可飽和吸収体１６を積層し、入力光Ｌｉを、ビームスプリッター１３を介して可飽和吸収体１６に照射するとともに、破線で示すように励起光Ｌｅを照射して、可飽和吸収体１６からの反射光Ｌｒをビームスプリッターにより反射させて観測した。なお、入力光としてこの場合Ｎｄ：ＹＶＯ_４固体レーザによる波長１０６４ｎｍの光、励起光として半導体レーザによる波長８０８ｎｍの光を用いた。また、可飽和吸収体としては、化合物半導体より成る可飽和吸収体を用いた。この結果を図５に示す。

図５の結果から明らかなように、励起光が可飽和吸収体１６に照射されると、変調深さΔＲは減少する。このように変調深さΔＲの値が小さくなる結果として、パルス幅Δｔが大きくなってしまうものと思われる。つまり、従来のレーザ光発生装置においてパルス幅を短くすることができないのは、励起光が可飽和吸収体へ照射されてしまうことが原因であることが予想できる。

次に、本発明によるレーザ光発生装置の他の実施形態例について図面を用いて説明する。
図６は本発明の他の実施形態例の概略構成図である。このレーザ光発生装置１は、励起光源を含む励起光学系２、ダイクロイックミラー１１、レンズ１２、レーザ媒質５及び可飽和吸収体６、これらレーザ媒質５及び可飽和吸収体６を間に挟む反射部３及び４より構成される固体レーザ共振器２０より構成される。可飽和吸収体６は、保持体１０内に収められ、基板９上に反射部４を介して設けられる。またこの例においては、レーザ媒質５の可飽和吸収体６と対向する側の表面に励起光減衰部７が設けられ、励起光減衰部７側が保持体１０の開口端に固定される。レーザ媒質５の励起光入射側には、反射部３が設けられる。

このような構成において、励起光学系２の励起光源としては波長８０８ｎｍのレーザダイオードなどを用いることができる。
またレーザ媒質５は、Ｎｄが添加されたＹＶＯ_４などを用いることができる。その他のホストとしては、ＹＶＯ_４、ＹＡＧ、ＧｄＶＯ_４、ＹＬＦなどの結晶や、石英ガラス、ソーダガラスなどのガラス、ＹＡＧセラミック、Ｙ_２Ｏ_３セラミックなどのセラミックを用いることができる。
レーザ媒質５の添加物としては、Ｎｄの他、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｓｍ、Ｔｍ、Ｈｏ、などが挙げられる。それぞれのレーザ媒質５に適した波長の励起光源１ａを選定する必要があることはいうまでもない。

反射部３としては、レーザ発振波長に対して例えば８０％の反射率を有する薄膜の反射コーティングとすることができる。この励起光学系２側の反射部３は、励起光の波長に対して低反射とする。この反射率は、８０％に限定されることなく、励起光源の特性や必要とされるレーザ出力の特性により選定されることが望ましい。
反射部４は、レーザ発振波長に対して高反射率のミラーを用いることができる。
可飽和吸収体６としては、例えば量子井戸構造による可飽和吸収体や、またその他可飽和吸収特性を持つ結晶やセラミック、ガラス、半導体材料などが挙げられる。
また、レンズ１２は励起光をレーザ媒質５へ集光するためのものである。本実施形態例においてレーザ発振はレーザダイオード等の励起光学系２側へ出力されるので、ダイクロイックミラー１１によって取り出す構成としている。ダイクロイックミラー１１は励起光を透過させ、発振レーザ光を反射して、外部に取り出す機能を有する。
なお、反射部３及び４で構成される固体レーザ共振器２０の周回光路長は、１０ｍｍ以下であることが好ましい。この値は、熱レンズ効果を利用した共振器の発振限界に基づくものである。

励起光減衰部７としては、例えば励起光反射コーティングが用いられる。例えば波長８０８ｎｍの励起光に対して高反射率であり、発振レーザ光の波長１０６４ｎｍに対して低反射となるような設計とする。発振レーザ光に対して低反射率にしているのは、複合共振器による不安定性をなくすためである。

励起光減衰部７としては、その他励起光吸収コーティング材や、励起光反射フィルム、励起光吸収フィルムによる代用も可能である。
また後述するように、励起光を反射又は吸収する媒質を独立した部材もしくは基板上に被着させる構成として、レーザ媒質５と可飽和吸収体６の間に配置して励起光減衰部７としてもよい。

レーザ媒質５と可飽和吸収体６の中間媒質８としては、この場合においても気体である空気を用いることができる。上述したように、これはレーザ媒質５である結晶から可飽和吸収体６への熱伝導の影響を緩和するためである。空気は熱伝導率が低いので熱を遮断するために効果的である。このほか、酸化防止の観点からは窒素ガスを用いることも考えられる。
なお、励起光減衰部７が、発振光に対し透過率を損なうことなく熱伝導率を十分小さくすることが可能な構成である場合は、励起光減衰部７をレーザ媒質５と可飽和吸収体６との間の中間媒質８とすることも可能である。

上述の図６に示す構成とするレーザ光発生装置１を用いて、励起光が可飽和吸収体６に照射されることを回避ないしは十分抑制し、可飽和吸収体６の変調深さΔＲを計算値通りに深く保つことが可能となることを確認した。

また、励起光源１ａとして波長８０８ｎｍのレーザダイオード、レーザ媒質５としてＮｄ添加のＹＶＯ_４を用いて、反射部３としてレーザ発振波長に対して例えば８０％の反射率を有し、励起光の波長に対して低反射とされる反射コーティングを用いてレーザ光発生装置１を構成し、出力される光パルスを確認したところ、６３ｐｓのパルス幅であった。
これに対し、励起光減衰部７を用いずに構成したレーザ光発生装置においては、パルス幅は５５８ｐｓであった。この結果を図７に示す。
この結果から、励起光を可飽和吸収体６よりも励起光源側において励起光減衰部７により減衰させることで変調深さを一定に保つことができ、これによってパルス幅の狭窄化を図ることができることが確認できる。

なお、上述の例においては、励起光減衰部７をレーザ媒質５又は可飽和吸収体６に一体化して設けた場合を示すが、上述したように、励起光減衰部７を別体の例えば光透過性の基板上に設けてもよい。
すなわち、例えば図８Ａに示すように、励起光及び発振光に対し高透過率を有する基板１７上に励起光を吸収又は反射する励起光減衰部７を被着して、励起光減衰部７をレーザ媒質５側に対向させて、レーザ媒質５と可飽和吸収体６との間に配置してもよい。
またその他図８Ｂに示すように、励起光減衰部７自体をレーザ媒質５と可飽和吸収体６との間に介在させる構成としてもよい。
図８Ａ及びＢにおいて、図１及び図６と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、共振器長を短くした際にも、可飽和吸収体に励起光が照射されることを回避ないしは格段に抑制することができて、可飽和吸収体の飽和を促進することなく、変調深さを十分深く保つことができる。このことにより、従来のレーザ光発生装置では困難であったパルス幅の狭窄化を確実に図ることができ、例えばＱスイッチパルスレーザに本発明を適用することによって、従来実現できなかった短パルス化をさらに進めることができる。

また、レーザ媒質と可飽和吸収体との間に中間媒質を有する構成とすることによって、レーザ媒質から可飽和吸収体への熱伝導の影響を緩和することができる。
更に、励起光減衰部を、レーザ媒質の可飽和吸収体と対向する側に設ける構成とすることによって、励起光減衰部の反射によって励起光が反射された際に、反射励起光のスポットサイズを小さくすることができるので、レーザ発振のモードとして基本モードを励振しやすく、ビーム品質の確保が容易となる。

なお、本発明によるレーザ光発生装置は、上述の各実施形態例に限定されることなく、種々の変形、変更が可能である。すなわち、励起光源やレーザ媒質、可飽和吸収体の材料構成など、またその他共振器を構成する光学部品の配置や材料構成等において、本発明構成を逸脱しない範囲において、変形、変更が可能である。

本発明によるレーザ光発生装置の一実施形態例の概略構成図である。 本発明によるレーザ光発生装置の一実施形態例の要部の概略構成図である。 本発明によるレーザ光発生装置の一実施形態例の要部の概略構成図である。 変調深さの測定装置の一例の概略構成図である。 変調深さΔＲと励起光強度の関係を示す図である。 本発明によるレーザ光発生装置の他の実施形態例概略構成図である。 本発明のレーザ光発生装置の実施形態例及び比較例において得られたパルスの特性を示す図である。 Ａ及びＢは本発明のレーザ光発生装置の他の実施形態例の要部の概略構成図である。

符号の説明

１．レーザ光発生装置、２．励起光学系、３．反射部、４．反射部、５．レーザ媒質、６．可飽和吸収体、７．励起光減衰部、７ｂ．反射部、８．中間媒質、９．基板、１０．保持体、１１．ダイクロイックミラー、１２．レンズ、１７．基板、２０．固体レーザ共振器、

Claims (5)

1. 励起光源を含む励起光学系と、少なくともレーザ媒質及び可飽和吸収体を含む固体レーザ共振器とより構成されるレーザ光発生装置において、
   前記固体レーザ共振器の前記可飽和吸収体と前記レーザ媒質との間に、励起光減衰部が設けられて成る
   ことを特徴とするレーザ光発生装置。
2. 前記レーザ媒質と前記可飽和吸収体との間に中間媒質を有している
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザ光発生装置。
3. 前記励起光減衰部が、前記レーザ媒質の前記可飽和吸収体と対向する側に設けられて成る
   ことを特徴とする請求項２記載のレーザ光発生装置。
4. 前記励起光減衰部が、励起光を反射し、発振光を透過する材料より成る
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザ光発生装置。
5. 前記励起光減衰部が、薄膜であることを特徴とする請求項１記載のレーザ光発生装置。

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