JP2007281388A - レーザ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】固体レーザ媒質を備えたレーザ装置において、発振スペクトル幅を広げ、かつ固体レーザ媒質における励起光の吸収効率を向上させる。
【解決手段】共振器5と、該共振器5内に配置された光学異方性を有する固体レーザ媒質6と、該固体レーザ媒質6に励起光を入射させる励起手段10とを備えたレーザ装置1において、共振器5内に、発振光Loを、固体レーザ媒質6の第1の結晶軸に略平行な方向に偏光した直線偏光光とし、励起手段10を、励起光Leを直線偏光光とし、その偏光方向を第1の結晶軸と交差する方向として固体レーザ媒質6に入射させるものとし、固体レーザ媒質6における、励起光の偏光方向についての励起光の吸収係数が、第1の結晶軸についての励起光の吸収係数よりも大きくなるように構成する。
【選択図】図2

Description

本発明はレーザ装置に関し、特に、共振器内に、励起手段からの励起光を受けて発光する固体レーザ媒質を備えたレーザ装置に関するものである。
Yb(イッテルビウム)をドープした固体レーザ媒質は、InGaAs高出力半導体レーザでの励起が可能であることや、高い量子効率でのレーザ発振が可能であること、上準位吸収や濃度クエンチングがないこと、さらには広い蛍光スペクトル幅が得られることから、モードロックレーザ装置の固体レーザ媒質として注目を集めている。
KY(WO4)2媒質(以下、KYWと称す。)、KGd(WO4)2媒質(以下、KGWと称す。)のような光学異方性をもったレーザホスト媒質に、Ybをドープした固体レーザ媒質Yb:KYW(以下、Yb:KYWと称す。)では、図1a、図1b、図1cにYb:KYWの結晶軸a、b、c軸についての吸収断面積波長依存性および発光スペクトル特性をそれぞれ示すように、固体レーザ媒質の結晶軸毎の、発光スペクトル特性(図中実線で示す)および吸収断面積(図中破線で示す)の特性が異なる。ここでは、吸収係数は吸収断面積に比例するものである。
さて、モードロック発振における、発振スペクトル幅Δνとパルス幅Δτとの関係は、次式(1)で表され、短パルス化を図るためには、発振スペクトル幅の広い発振光を得る必要がある。つまり、発光スペクトル幅を広くする必要がある。
Δν・Δτ=K ・・・・・(1)
ここで、Kは定数、このKの値はパルス波形によって異なり、ガウス型では0.44、sech2型では0.315である。
ここで、例えば、Yb:KYWでは、Yb:KYWの一般的な発振波長帯域である1010nm〜1060nmにおいて、a、b、c軸における発光スペクトル特性を比較すると、b軸において最も幅広い発光スペクトルが見られる。これは、b軸に平行な偏光を有する発振光により最も広い発振スペクトル幅(周波数幅)を得ることができること、言い換えると、b軸に平行な偏光を有する発振光により最も短いパルス幅の発振が可能となることを意味する。従って、従来Yb:KYWを備えたモードロックレーザ装置においては、b軸に平行な偏光の発振光が用いられている。
例えば、非特許文献1では、効率よくパルス幅の小さいパルス光を得るために、固体レーザ媒質Yb:KYW端面での発振光の反射による共振器ロスを最小にし、かつ発振光にできる限りb軸に平行な偏光成分をもたせるように、Yb:KYWをYb:KYWのb軸が共振器光軸に対しブリュースタ角傾いた状態となるようにして共振器内に配置している。さらに、このようにb軸が共振器光軸に対しブリュースタ角傾いたYb:KYWに半導体レーザからの励起光を効率よく吸収させるために、励起光の偏光方向を発振光の偏光方向に一致させYb:KYWに入射し、Yb:KYW端面での励起光の反射によるロスを最小限に抑え、さらに励起光の波長を954nmとすることで、図1bのb軸の吸収断面積特性に存在する954nmの吸収ピークで励起光をYb:KYWに吸収させている。
オプティクス レターズ(OPTICS LETTERS)、2001年発行、第26巻、1723頁(Vol.26,1723(2001))
しかしながら、図1aおよび図1bからわかるように、b軸における吸収断面積特性ピークはa軸における吸収断面積特性ピークと比較して小さく、励起光の吸収効率が低いすなわち発振効率が低いという問題がある。
本発明は、上記事情に鑑み、発振スペクトル幅を広げ、かつ固体レーザ媒質における励起光の吸収効率を向上させたレーザ装置を提供することを目的とするものである。
本発明のレーザ装置は、共振器と、該共振器内には配置された光学異方性を有する固体レーザ媒質と、該固体レーザ媒質に励起光を入射させる励起手段とを備えたレーザ装置において、
発振光を、前記固体レーザ媒質の第1の結晶軸に略平行な方向に偏光した直線偏光光とし、
前記励起手段が、前記励起光を直線偏光光とし、その偏光方向を前記第1の結晶軸と交差する方向として前記固体レーザ媒質に入射させるものであり、
前記固体レーザ媒質における、前記励起光の偏光方向についての前記励起光の吸収係数が、前記第1の結晶軸についての前記励起光の吸収係数よりも大きいことを特徴とするものである。
特に、前記励起光の偏光方向が、前記固体レーザ媒質の第2の結晶軸に略平行な方向であり、前記固体レーザ媒質における、前記第2の結晶軸についての前記励起光の吸収係数が、各結晶軸についての前記励起光の吸収係数のうち最大値を示すものであることが望ましい。
また、前記固体レーザ媒質における、前記第1の結晶軸についての所定の発振波長帯域における発光スペクトル強度の平坦性が、前記励起光の偏光方向についての前記平坦性よりも高いことが望ましい。
前記固体レーザ媒質における、前記第1の結晶軸についての、所定の発振波長帯域における発光スペクトル波長分布特性の積分値が、前記励起光の偏光方向についての前記積分値よりも高いことが望ましい。
ここで、所定の発振波長帯域とは、レーザ装置を使用する使用者が発振させたい(所望とする)波長帯域を言うものであるが、固体レーザ媒質が準3準位系である場合においては、特に、誘導放出断面積に対する吸収断面積の割合が10%以下程度である発振光の再吸収ロスが小さい波長帯域をいう。
発光スペクトル強度の平坦性が高いとは、スペクトル幅が広いことを意味するものである。ここでスペクトル幅は、所定の発振波長帯域内の最大ピーク強度に対して、該ピーク強度の1/10強度になるまでの、所定の発振波長帯域内における波長領域幅とする。また、所定の発振波長帯域に複数のピークが存在する場合には、上記に加え、最大ピークとそれ以外のピークとの光強度比率が1.5倍以下であり、その間のボトム強度が最大ピーク強度の1/10以上を満たしている波長領域幅とする。
本発明のレーザ装置は、前記共振器内に、前記発振光を前記直線偏光光とする偏光制御手段を備えることが望ましい。偏光制御手段としては、ブリュースタ板、偏光子、偏光ビームスプリッター、複屈折媒体などの光学部材を用いてもよいし、前記固体レーザ媒質の端面を第1の結晶軸に対しブリュースタ角切り取った形状として配置する手段を用いてもよい。
なお、固体レーザ媒質の第1の結晶軸方向の発振スペクトルが他の結晶軸方向のスペクトルと比較して十分に大きい場合、共振器内に偏光制御手段を備えることなく、発振光を第1の結晶軸に略平行な方向に偏光した直線偏光光とすることはできる。
前記固体レーザ媒質はイッテルビウムが添加されているものであることが望ましい。
また、固体レーザ媒質が、KY(WO)媒質またはKGd(WO)媒質である場合、前記第1の結晶軸がb軸、前記第2の結晶軸がa軸であることが望ましい。
本発明のレーザ装置は、共振器内にモード同期素子を備え、モード同期発振を行うものとして用いることができる。
また、本発明のレーザ装置は、共振器内に波長制御素子を備え、波長可変レーザとして用いることができる。
本発明のレーザ装置は、発振光を、固体レーザ媒質の第1の結晶軸に略平行な方向に偏光した直線偏光光とし、励起手段が励起光を直線偏光光とし、その偏光方向を第1の結晶軸と交差する方向とし該固体レーザ媒質に入射させるものであり、固体レーザ媒質における、励起光の偏光方向についての励起光の吸収係数が、第1の結晶軸についての励起光の吸収係数よりも大きいものであるため、効率よく励起光を固体レーザ媒質に吸収させることができ、発振効率を向上させることができる。特に、固体レーザ媒質における、第1の結晶軸についての所定の発振波長帯域における発光スペクトル強度の平坦性が、励起光の偏光方向についての平坦性よりも高いものであれば、発振スペクトル幅を広くすることができる。
さらに、励起光の吸収係数が、各結晶軸についての励起光の吸収係数のうち最大値を示すものであれば、励起光の吸収効率を最大にすることができる。
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図2は、本発明の第1の実施形態のモードロックレーザ装置1の概略構成を示すものである。モードロックレーザ装置1は、共振器5と、共振器5内に配置された、光学異方性を有する固体レーザ媒質6と、固体レーザ媒質6に励起光Leを入射させる、共振器5外部に配置された励起手段10と、発振光Loの偏光を制御する偏光制御手段18とを備えている。
固体レーザ媒質6は、レーザホスト媒質KYWにYb(イッテルビウム)を5%ドープしたYb:KYWである。Yb:KYWの光学異方性は図1a〜cに示すように、その第1の結晶軸であるb軸についての励起光の吸収断面積ピーク(954nm波長吸収ピーク)と比べて、b軸と交差する第2の結晶軸であるa軸についての励起光の吸収断面積ピーク(980nm波長吸収ピーク)が大きい。なお、a軸の吸収断面積ピークはもう1つの結晶軸c軸についての吸収断面積ピークと比較しても大きく、結晶軸のうち最も大きい吸収断面積ピークである。また、b軸についての、所定の発振波長帯域(ここでは、1010-1060nmの波長帯域)における発光スペクトルの平坦性は、a軸についての平坦性よりも高い。a軸において所定の発振波長帯域の最大ピークPaの強度Imaxの1/10強度となる長波長側の波長は略1045nmであり、所定の発振波長帯域において最大ピークの光強度の1/10となるまでの波長領域は1010-1045nmとなる。一方、b軸においては最大ピークPb1の強度Imaxの1/10強度となる長波長側の波長は1058nm近傍であり、所定の発振波長帯域において最大ピークの光強度の1/10となる波長領域は1010-1058nmとなる。これは、b軸の所定の発振波長帯域におけるスペクトル幅が、a軸のものよりも広いこと、すなわち発光スペクトル強度の平坦性がa軸よりもb軸の方が高いことを意味するものである。なお、b軸の発光スペクトルは最大ピークPb1のほかに第二のピークPb2も在るが、両者の強度比が1.5倍以下であり、両ピーク間の波長における光強度は最大ピーク強度の1/10以上を満たしている。
また、ここでは、固体レーザ媒質における、第1の結晶軸であるb軸についての所定の発振波長帯域における発光スペクトル波長分布特性の積分値が、励起光の偏光方向(a軸)についての積分値よりも高い。
ここでは、Yb:KYW固体レーザ媒質6(以下、Yb:KYW6と称する。)として、図3に示すような入射端面のサイズが3mm×3mm、光軸方向の厚さが1mmのものを用い、結晶軸であるa軸、b軸は入射端面と平行になるようにした。また、それぞれの結晶軸は、b軸がa軸およびc軸に対し、垂直に交差しており、c軸とa軸が94°で交差した状態となっている。Yb:KYW6の励起光入射側の端面6aには、励起光の中心波長980nmから±10nmの広い範囲の波長に対し反射率が0.5%以下の反射防止コートおよび所定の発振波長帯域よりも少し狭い範囲の1020nmから1060nmの範囲の波長に対し反射率が99.5%以上の全反射コートが施されており、他方の端面6bには、所定の発振波長帯域である1010nmから1060nmの広い範囲の波長に対し反射率が0.2%以下の反射防止コートが施されている。なお、図2〜図6中には理解の容易のためにYb:KYWの結晶軸A(a軸、b軸、c軸)を併せて記載しているが、c軸はa軸と94°で交差しているため、図2、図4〜図6においてc軸は紙面奥行き方向に4°傾いている。
励起手段10は、励起光Leを直線偏光光とし、その偏光方向Peを固体レーザ媒質6の第2の結晶軸(ここではa軸)に平行な方向とし固体レーザ媒質に入射させるものであり、励起光Leを出力するブロードエリア型半導体レーザ11と、f=8mmの非球面レンズ12、それぞれf=−7.7、f=70のシリンドリカルレンズ13、14およびf=60のマクロマティックレンズ15とから構成されている。半導体レーザ11は、励起光Leの偏光方向PeがYb:KYW6のa軸と一致するように配置されており、その励起光Leは、レンズ12〜15からなる集光光学系により、励起光軸と共振器光軸とを一致させ、Yb:KYW6の中央に励起光ビームウェストがくるようにYb:KYW6へ入射される。なお、半導体レーザ11としては、発光幅100μmのものを用い、本集光光学系により、Yb:KYW6中に50μm×140μmの励起光ビームウェストを形成することができる。
共振器5は、一方の終端が固体レーザ媒質6の端面6aにより構成され、他方の終端がモード同期素子である可飽和吸収体ミラーデバイス20により構成されており、両終端の間には、出力ミラー17および共振器ミラー19を備え、発振光が共振器内で折り返されるZ型共振器構造となっている。可飽和吸収体ミラーデバイス20としては、波長1040nmに対し0.7%の吸収率をもつ半導体可飽和吸収体ミラーデバイス(SESAM(BATOP社製))を用いる。出力ミラー17としては、所定の発振波長帯域である1010nmから1060nmに対し透過率が2%であり、曲率半径が50mmの凹面ミラーを用い、この出力ミラー17はYb:KYW6から28mmの位置に配置されている。共振器ミラー19は曲率半径が50mmの凹面ミラーであり、SESAM20から28mmの位置に配置されており、出力ミラー17と共振器ミラー19との距離は250mmとなっている。なお、本共振器構造により、Yb:KYW6中およびSESAM20上に32μm径の発振光ビームウェストを形成することができる。
発振光Loの偏光を制御する偏光制御手段18として、ブリュースタ板が共振器光軸に対し、Yb:KYW6のb軸方向に対してブリュースタ角傾けて配置されており、このブリュースタ板18により発振光Loの偏光方向PoをYb:KYW6のb軸に平行な方向に制御する。
図1aのa軸での吸収断面積特性に示すように、980nmに最も大きな吸収断面積特性の吸収ピークが存在しており、波長980nmのa軸に平行な偏光をもった励起光により固体レーザ媒質を励起すれば、最も効率よく励起光を吸収させることができる。また、発光スペクトル特性について所定の波長帯域(1010-1060nm)では、b軸の特性に最も平坦なスペクトル(最も広いスペクトル幅)が存在しており、このb軸に平行な偏光をもった発振光により、最も発振スペクトル幅も広くなり、最も短パルスの出力光を得ることができる。
本モードロックレーザ装置1においては発振光としてb軸に平行な偏光を有するものを用いることにより短パルス化を達成するとともに、励起光としてa軸に平行な偏光の光を用いて固体レーザを励起させることにより、発振光と励起光の偏光方向を共にb軸に平行な方向としていた従来の装置と比較して、励起光の吸収効率を上げることができる。すなわち短パルスの出力を従来より効率よく出力させることが可能である。
具体的には、本モードロックレーザ装置1を用いた場合、2Wの励起パワーに対し、平均出力400mW、パルス幅1.2psec.、繰り返し周波数490MHzの2本のパルス光を得ることができる。
本実施形態において、共振器ミラー19を共振器内の分散を補償するミラーに置き換えると、パルス幅は更に短くすることが可能である。理論的には100fsec.以下のパルス幅も可能である。
なお、Yb:KYWとは異なるものであっても光学異方性をもった固体レーザ媒質によるモードロック発振では、励起光の偏光方向を吸収断面積が最も大きくなる方向に、発振光の偏光方向をスペクトル幅が最も広くなる方向に独立に最適化を行えば、最も効率よくパルス幅の小さいパルス光を得ることができる。
また、上記においては励起光を固体レーザ媒質のa軸と平行な方向に偏光した直線偏光として固体レーザ媒質に入射させる例を挙げたが、励起光の偏光方向は必ずしもa軸に沿ったものである必要はなく、励起光の偏光方向についての励起光の吸収係数が発振光の偏光方向(b軸)についての励起光の吸収係数よりも大きいものであり、b軸に交差する方向であればよい。
なお、本モードロックレーザ装置1では、偏光制御素子としてブリュースタ板を用いるものとしたが、代わりに偏光子、偏光ビームスプリッターを用いてもよい。また、複屈折媒体である方解石(Calcite)、石英(Crystal Quartz)、YVO4を用いて、それら複屈折媒体で生ずるウォークオフで分離される2つの偏光光軸のうちの一方を共振器光軸とすることで偏光制御を行うことも可能である。
図4は、本発明の第2の実施形態のモードロックレーザ装置2の概略構成を示すものである。以下の実施形態においては、第1の実施形態と同等の要素には同一符号を付し詳細な説明は省略する。
本実施形態のモードロックレーザ装置2は、図5に示すように、固体レーザ媒質Yb:KYWの一方の端面がb軸に対しブリュースタ角で切り取られた固体レーザ媒質6’を備えている。ここでは、固体レーザ媒質6’が発振光の偏光を制御する偏光制御手段を兼ねており、第1の実施形態で偏光制御手段として用いられているブリュースタ板を備える必要がない。共振器25内部の光学素子数が減ることから、共振器内部ロスを低減することができ、効率よくパルス光を得ることができる。また部品数が減るため、低コスト化に繋がる。
また、第1の実施形態のモードロックレーザ装置1の出力ミラー17を共振器ミラーに置き換え、SESAM20の代わりに、発振光を透過する透過型半導体可飽和ミラーデバイスであるSOC(Saturable Output Coupler、BATOP社製)を用いてもよく、この場合、1つの主ビームを取り出すことが可能となり、さらに効率よくパルス光を得ることができる。
さらに、SESAM20を出力ミラーに置き換え、固体レーザ媒質の光カー効果を用いたカーレンズモード同期(Kerr Lens Mode-locking :KLM)によるパルス発振を行うようにしてもよい。この場合SESAMの発振光の吸収による共振器内部ロスをなくすことができるため、さらに効率よくパルス光を得ることができる。
図6は、本発明の第3の実施形態のレーザ装置3の概略構成を示すものである。レーザ装置3は、波長可変レーザであり、図2に示した第1の実施形態のモードロックレーザ装置1の出力ミラー17を共振器ミラー31に置き換え、SESAM20を1010nmから1060nmの広い範囲の発振波長対し透過率が1%の出力ミラー32に置き換え、さらにブリュースタ板18を波長変調素子である複屈折フィルター33に置き換えた共振器35の構成を有する。
複屈折フィルター33を、共振器光軸に対しYb:KYW6のb軸方向にブリュースタ角傾けて配置することで、発振光Loの偏光方向Poをb軸に平行にさせることができる。
波長可変レーザにおいては、モードロックレーザ装置の場合と同様に、所定の発振波長帯域において広い発光スペクトル幅を有する、すなわち、所定の発振波長帯域において出力が均一であることが望ましい。Yb:KYW6は1010nm〜1060nmの発振波長帯域においてb軸方向の偏光を有する発振光が広い発光スペクトル幅を有するため波長可変レーザにも適している。本レーザ装置3において、複屈折フィルター33を共振器光軸を中心に回転させることにより、1010nm〜1060nmのレーザ光を得ることができる。
本レーザ装置3においても、a軸に平行な偏光の励起光により固体レーザ媒質を励起するため吸収効率がよく、従って発振効率がよい。従って、発振効率の良い広帯域の波長可変レーザが実現可能である。
なお、この第3の実施形態のレーザ装置3においては、波長変調素子としてエタロンを用いてもよい。
上記各実施形態においては、固体レーザ媒質として、YbをドープしたKYWからなるものを挙げたが、KYWと同様の光学異方性結晶構造を有するKGWをレーザホスト媒質として用いてもよく、同様の効果を得ることができる。
また、その他、レーザホスト媒質としては、YVO4、GdVO4、SYSを用いてもよい。いずれも光学異方性を有しているので、各固体レーザ媒質において、発振光の偏光方向が各固体レーザ媒質の所定の発振波長帯域における発光スペクトル幅の最も平坦性が高い結晶軸に略平行となるように発振させ、励起光を発振光の偏光方向に平行な結晶軸の励起光吸収係数よりも大きい励起光吸収係数を持つ方向に偏光させて固体レーザ媒質に入射させることにより、上記実施形態の場合と同様に発振スペクトル幅を広く、かつ効率良く励起することができ発振効率を向上させることができる。従って、効率が良い短パルスレーザ、あるいは波長可変レーザとして用いることができる。
Yb:KYWのa軸の吸収断面積波長依存性および発光スペクトルを示す図 Yb:KYWのb軸の吸収断面積波長依存性および発光スペクトルを示す図 Yb:KYWのc軸の吸収断面積波長依存性および発光スペクトルを示す図 第1の実施形態のモードロックレーザ装置の概略構成図 固体レーザ媒質を示す斜視図 第2の実施形態のモードロックレーザ装置の概略構成図 固体レーザ媒質を示す図 第3の実施形態のレーザ装置の概略構成図
符号の説明
1、2 モードロックレーザ装置
3 波長可変レーザ装置
5 共振器
6 固体レーザ媒質
10 励起手段
11 半導体レーザ
12 非球面レンズ
13、14 シリンドリカルレンズ
15 アクロマティックレンズ
17 出力ミラー
18 ブリュースタ板
19 共振器ミラー
20 SESAM
A 固体レーザ媒質の結晶軸
Le 励起光
Lo 発振光
Pe 励起光の偏光方向
Po 発振光の偏光方向

Claims (9)

  1. 共振器と、該共振器内に配置された光学異方性を有する固体レーザ媒質と、該固体レーザ媒質に励起光を入射させる励起手段とを備えたレーザ装置において、
    発振光を、前記固体レーザ媒質の第1の結晶軸に略平行な方向に偏光した直線偏光光とし、
    前記励起手段が、前記励起光を直線偏光光とし、その偏光方向を前記第1の結晶軸と交差する方向として前記固体レーザ媒質に入射させるものであり、
    前記固体レーザ媒質における、前記励起光の偏光方向についての前記励起光の吸収係数が、前記第1の結晶軸についての前記励起光の吸収係数よりも大きいことを特徴とするレーザ装置。
  2. 前記励起光の偏光方向が、前記固体レーザ媒質の第2の結晶軸に略平行な方向であり、
    前記固体レーザ媒質における、前記第2の結晶軸についての前記励起光の吸収係数が、各結晶軸についての前記励起光の吸収係数のうち最大値を示すものであることを特徴とする請求項1記載のレーザ装置。
  3. 前記固体レーザ媒質における、前記第1の結晶軸についての所定の発振波長帯域における発光スペクトル強度の平坦性が、前記励起光の偏光方向についての前記平坦性よりも高いことを特徴とする請求項1または2記載のレーザ装置。
  4. 前記固体レーザ媒質における、前記第1の結晶軸についての所定の発振波長帯域における発光スペクトル波長分布特性の積分値が、前記励起光の偏光方向についての前記積分値よりも高いことを特徴とする請求項1または2記載のレーザ装置。
  5. 前記共振器内に、前記発振光を前記直線偏光光とする偏光制御手段を備えたことを特徴とする請求項1から4いずれか1項記載のレーザ装置。
  6. 前記固体レーザ媒質にイッテルビウムが添加されていることを特徴とする請求項1から5いずれか1項記載のレーザ装置。
  7. 前記固体レーザ媒質が、KY(WO)媒質またはKGd(WO)媒質であり、
    前記第1の結晶軸がb軸、前記第2の結晶軸がa軸であることを特徴とする請求項1から6いずれか1項記載のレーザ装置。
  8. 前記共振器内にモード同期素子を備え、モード同期発振を行うものであることを特徴とする請求項1から7いずれか1項記載のレーザ装置。
  9. 前記共振器内に波長制御素子を備え、波長可変レーザとして用いられるものであることを特徴とする請求項1から7いずれか1項記載のレーザ装置。
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