JP2008003273A

JP2008003273A - 非線形光学結晶を備えた超短パルスレーザー装置

Info

Publication number: JP2008003273A
Application number: JP2006172173A
Authority: JP
Inventors: Hironori Hirato; 平等　　拓範; Masaki Tsunekane; 正樹常包
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Natural Sciences
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Natural Sciences
Priority date: 2006-06-22
Filing date: 2006-06-22
Publication date: 2008-01-10

Abstract

【課題】高出力の超短パルスを効率よく発生させることができる非線形光学結晶を備えた超短パルスレーザー装置を提供する。
【解決手段】非線形光学結晶を備えた超短パルスレーザー装置において、薄型（マイクロチップ）レーザー媒質８および非線形光学結晶９をレーザー共振器内に備え、出力ミラー５にはレーザー発振光の１０％以上を外部に透過する反射膜とレーザー発振光の第二高調波の波長に対する全反射膜が形成されており、前記非線形光学結晶９より発生した第二高調波は前記レーザー共振器内で全反射で前記出力ミラー５まで到達するように各共振器ミラーに反射膜が形成されたレーザー装置であって、前記非線形光学結晶９の厚みを０．１ｍｍ〜２ｍｍと小さくする。
【選択図】図１

Description

本発明は、非線形光学結晶を備えた超短パルスレーザー装置に関するものである。

近年、様々な加工用途、特に融点の高い難加工物質の加工や周辺への熱影響を嫌う加工において高出力でパルス幅が短く、尖頭値光強度の高いレーザー光を出射できる固体レーザー装置が要求されている。そのために、レーザーの共振器内にＱスイッチ素子と呼ばれる電気的なシャッターを挿入し、一時的にエネルギーを固体レーザー媒質内に蓄積させる方法もよく知られているが、さらに短いパルス幅の光を得る方法として光の強度により屈折率が変化するカーレンズ素子と呼ばれるものを挿入したり、固体レーザー媒質自体が持つカーレンズ効果を利用したりする方法が知られている。また、さらに最近では外部からの電気エネルギーを必要とせず簡単な構成で安定な光パルスを得る方法として、光強度により透過率が変化する可飽和吸収体と呼ばれる媒質、例えばＳＥＳＡＭ（半導体可飽和吸収体）やＣｒを添加した媒質を共振器内に挿入する方法もよく用いられている。
電子情報通信学会論文誌Ｃ，Ｖｏｌ．Ｊ８４−Ｃ，Ｎｏ．１０，ｐｐ．９１８−９２５，２００１年１０月

しかしながら、可飽和吸収体を利用した方法では、共振器内に吸収体が存在することによる損失が大きく、高出力化する場合には可飽和吸収体での発熱や損傷が実用化への妨げになっている。そこで、外部からの電気エネルギーを必要とせず、しかも吸収による発熱のない媒質を用いる方法として、レーザー発振器の内部に第二高調波発生（Ｓｅｃｏｎｄｈａｒｍｏｎｉｃｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＳＨＧ）用に位相整合条件を満足した非線形光学結晶を挿入し、非線形光学結晶より発生した第二高調波をレーザー発振光（基本波）との位相を制御して非線形光学結晶に戻すことで、実効的に光強度により反射率を変えることができ、パルス動作を行わせる方法が注目されている。この方法では非線形光学結晶内で発熱がないため高出力動作時でも安定した短パルス動作が期待されている。

しかし、この方法においては、非線形光学結晶から発生した第二高調波を非線形光学結晶に戻す際に、レーザー発振光との位相を合わせるために非線形光学結晶と出力ミラーの距離を安定したパルスが得られる位置に調整する必要がある。ところが、一般に出力ミラーの位置を移動させると、共振器内、特にレーザー媒質内でのレーザー発振モードが変化し、レーザー出力や出力ビームの形状（ビーム径や放射角）が大きく変化してしまう問題があった。そこで出力ミラーの位置を移動しても共振器内でのレーザー発振モードの変化が小さい共振器を構成する必要がある。さらに非線形光学結晶から発生した第二高調波光を効率よく元の非線形光学結晶に戻すために、それらの光路に当たるミラーには第二高調波の波長に対し高い反射率を持たせる必要がある。

また一方、最近、半導体レーザー（ＬＤ）で励起可能で短パルス動作が可能な高効率な固体レーザー媒質として、Ｙｂ：ＹＡＧを代表とする、発光中心元素としてＹｂを添加した媒質が注目されている。しかしながら、この媒質はレーザー発振特性の温度依存性が大きく、励起による発熱によって熱がレーザー媒質内にこもり温度が上昇すると出力が大きく低下したり、発振が停止したりすることがあった。そこで、最近ではレーザー媒質の一面を金属などのヒートシンクに密着あるいは接合させ、レーザー光をヒートシンクに密着した面に相対する面を通して取り出すことで、レーザー媒質内で発生した熱を効率よく排熱することが可能になり、高出力動作時においても発振特性の劣化が少ないレーザー媒質の形状、励起方法が考案されている。このときヒートシンクに接合する面には予めレーザー光に対し高い反射率の膜を形成しておき、接合していない面からレーザー媒質中を透過したレーザー光はそこで反射されて再び同じ面から出射されるような構成（反射型）で用いられる。この構成ではレーザー媒質内での温度の分布がレーザー光に対し垂直に形成されるためにレーザー光が面内で受ける熱的な影響が少なく、さらにレーザー媒質の厚みを薄くすることで温度上昇もさらに小さくなりしかもレーザー媒質内でレーザー光が透過する距離が短いため、レーザー光が受ける分散の影響も小さくなるためより短いパルスの発生も可能になる。

本発明は、上記状況に鑑みて、高出力の超短パルスを効率よく発生させることができる非線形光学結晶を備えた超短パルスレーザー装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕非線形光学結晶を備えた超短パルスレーザー装置において、薄型（マイクロチップ）レーザー媒質および非線形光学結晶をレーザー共振器内に備え、出力ミラーにはレーザー発振光の１０％以上を外部に透過する反射膜とレーザー発振光の第二高調波の波長に対する全反射膜が形成されており、前記非線形光学結晶より発生した第二高調波は前記レーザー共振器内で全反射で前記出力ミラーまで到達するように各共振器ミラーに反射膜が形成されたレーザー装置であって、前記非線形光学結晶の厚みを０．１ｍｍ〜２ｍｍと小さくすることを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の非線形光学結晶を備えた超短パルスレーザー装置において、前記非線形光学結晶はレーザー発振光の波長により位相整合が可能でしかも非線形光学常数の大きな結晶であることを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕記載の非線形光学結晶を備えた超短パルスレーザー装置において、前記非線形光学結晶はＬＢＯ結晶であることを特徴とする。

〔４〕上記〔１〕記載の非線形光学結晶を備えた超短パルスレーザー装置において、前記非線形光学結晶はＢＢＯ結晶であることを特徴とする。

〔５〕上記〔１〕記載の非線形光学結晶を備えた超短パルスレーザー装置において、前記薄型（マイクロチップ）レーザー媒質の裏面にヒートシンクが接合されることを特徴とする。

〔６〕上記〔１〕記載の非線形光学結晶を備えた超短パルスレーザー装置において、前記共振器ミラーは凹面ミラーからなり、前記出力ミラーとは反対側の光路の終端部に平面終端ミラーを具備することを特徴とする。

本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。

薄型（マイクロチップ）レーザー媒質および非線形光学結晶をレーザー共振器内に備え、出力ミラーにはレーザー発振光の１０％以上を外部に透過する反射膜とレーザー発振光の第二高調波の波長に対する全反射膜が形成されており、前記非線形光学結晶より発生した第二高調波は前記レーザー共振器内で全反射で前記出力ミラーまで到達するように各共振器ミラーに反射膜が形成されたレーザー装置であって、非線形光学結晶の厚みを０．１ｍｍ〜２ｍｍと小さくすることにより、位相整合許容波長幅が広くなるため、モード同期をかけた際に時間領域ではより短い、フェムト秒領域のパルスが出せるようになる。さらに、薄型（マイクロチップ）レーザー媒質と組み合わせることで高出力の超短パルスを効率よく発生させることができる。

本発明の非線形光学結晶を備えた超短パルスレーザー装置は、薄型（マイクロチップ）レーザー媒質および非線形光学結晶をレーザー共振器内に備え、出力ミラーにはレーザー発振光の１０％以上を外部に透過する反射膜とレーザー発振光の第二高調波の波長に対する全反射膜が形成されており、前記非線形光学結晶より発生した第二高調波は前記レーザー共振器内で全反射で前記出力ミラーまで到達するように各共振器ミラーに反射膜が形成されたレーザー装置であって、前記非線形光学結晶の厚みを０．１ｍｍ〜２ｍｍと小さくする。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の実施例を示す非線形光学素子を備えた超短パルスレーザー装置の模式図である。

この図に示すように、共振器を有するレーザー装置は、凹面ミラー１〜４（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４）および平面出力ミラー５（ＯＣ）、平面終端ミラー６（ＥＭ）、一方の面がヒートシンク７に接合され、相対する面よりレーザー光を外部に入出射する反射型の薄型（マイクロチップ）レーザー媒質８（ＬＣ）よりなり、共振器内には非線形光学結晶９（ＮＣ）が挿入されている。１０はレーザー発振光光路である。

このように、薄型（マイクロチップ）レーザー媒質８および非線形光学結晶９をレーザー共振器内に備え、出力ミラー５にはレーザー発振光の１０％以上を外部に透過する反射膜とレーザー発振光の第二高調波の波長に対する全反射膜が形成されており、非線形光学結晶９より発生した第二高調波は共振器内で全反射で出力ミラー５まで到達するように各共振器ミラー１〜４（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４）に反射膜が形成されたレーザー装置において、特に、非線形光学結晶９の厚みを０．１ｍｍ〜２ｍｍと小さくするようにしたので、位相整合許容波長幅が広くなり、モード同期をかけた際に時間領域ではより短い、超短パルスが出せるようになる。結晶を短くした場合は、非線形効果を引き起こすのにより強いパワーが求められる。一方で、短いパルスを得るには結晶を短くする必要があり、両者を満たすのは困難とされていた。また、従来はＹｂではなく、Ｎｄレーザーが中心であったためパワーが不足し、帯域幅も狭く、非線形結晶を無理して短くする必要が無かった。さらに、薄型（マイクロチップ）レーザー媒質と組み合わせることで高出力の超短パルスを効率よく発生させることができる。

例えば、４つの凹面ミラー１〜４（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４）の代表的な曲率半径としては凹面ミラー１，２（Ｍ１、Ｍ２）が１ｍ、凹面ミラー３，４（Ｍ３、Ｍ４）が０．１ｍである。また、共振器ミラーの間隔としては、凹面ミラー１（Ｍ１）−平面終端ミラー６（ＥＭ）間が０．３ｍ、レーザー媒質８（ＬＣ）−凹面ミラー１（Ｍ１）間が０．９ｍ、凹面ミラー２（Ｍ２）−レーザー媒質８（ＬＣ）間が０．６ｍ、凹面ミラー２，３（Ｍ２−Ｍ３）間が０．３ｍ、凹面ミラー３，４（Ｍ３、Ｍ４）間が０．１ｍ、位相を合わせるために距離を変化させる凹面ミラー４（Ｍ４）−出力ミラー５（ＯＣ）間は代表的には０．２ｍであるが、０．１ｍから０．５ｍまで変化させてもレーザー発振モードに大きな変化は起こらない。非線形光学結晶９（ＮＣ）としては、例としてここでは長さ０．１ｍｍ〜２ｍｍの短いＬＢＯ結晶を用いた。ＬＢＯ結晶はレーザー発振光（基本波）波長に対し、第二高調波を発生させる角度および温度の位相整合条件を満足しており、レーザー発振光が通過する面には基本波と第二高調波に対し全反射する誘電体多層膜が形成されている。レーザー媒質の構成としては、後述する図５に代表的な構成を示す。

この構成により安定したパルス動作を得るために出力ミラー５（ＯＣ）の位置を移動しても、共振器中の非線形光学結晶９（ＮＣ）やレーザー媒質８（ＬＣ）における発振モードの変化が小さいために、レーザー発振特性の変化が小さく、かつレーザー光に対し媒質の熱影響を受けることが少ないレーザー媒質構成を用いているため高出力においても安定した短パルス動作が得られる。また、この構成では平面終端ミラー６（ＥＭ）を凹面ミラー１（Ｍ１）との光軸に沿って移動させてもレーザー発振モードに大きな変化が起こらないことから、出力ミラー５（ＯＣ）を動かしたことによりレーザーの共振器長が変化するために出力パルスの繰り返し周波数は変化するが、平面終端ミラー６（ＥＭ）の位置を調節することにより同様に共振器長を調整することができるために、繰り返し周波数を所望の値に合わせることができる。平面終端ミラー６（ＥＭ）を動かしても非線形光学結晶９（ＮＣ）における基本波と第二高調波の位相関係は変化しないために独立に調整することができる。

図２は本発明の第２実施例を示す非線形光学素子を備えた超短パルスレーザー装置の模式図である。

この実施例では、図１に示した共振器を有するレーザー装置の終端ミラー６（ＥＭ）のミラーを省略した構成になっている。それ以外の構成は、図１と同一である。

この構成により、少ない数のミラーで高出力、短パルス動作が得られる。

図３は本発明の第３実施例を示す非線形光学素子を備えた超短パルスレーザー装置の模式図である。

この実施例では、図２に示した共振器を有するレーザー装置の凹面ミラー１（Ｍ１）のミラーを省略した構成になっている。ここで、凹面ミラー２（Ｍ２）−薄型レーザー媒質８（ＬＣ）間は０．５ｍで、それ以外の構成は図２と同一である。

この構成により、さらに少ない数のミラーで高出力、短パルス動作が得られる。

図４は本発明の第４実施例を示す非線形光学素子を備えた超短パルスレーザー装置の模式図である。

この実施例では、図３に示した共振器を有するレーザー装置の凹面ミラー２（Ｍ２）を省略した構成になっている。凹面ミラー３（Ｍ３）−レーザー媒質８（ＬＣ）間は０．７ｍでそれ以外の構成は図１と同じである。

図５は本発明における、一方の面がヒートシンクに接合され、相対する面よりレーザー光を外部に入出射する反射型のレーザー媒質の一例を示す模式図である。

これらの図において、１１は励起用半導体レーザー、１２はＦＡコリメートレンズ、１３はＳＡ集光レンズ、１４はＦＡ集光レンズ、１４Ａは励起光、１５はヒートシンク、１６はそのヒートシンク１５上に配置されるレーザー装置である。このレーザー装置１６は、中央に位置する円筒状の固体レーザー媒質１７と、この固体レーザー媒質１７の周囲に配置される励起光ガイド１８を有し、その励起光ガイド１８の側面に励起光１４Ａが照射される励起光窓１９が設けられる。そこで、励起光窓１９から励起光１４Ａを励起光ガイド１８に導入し、固体レーザー媒質１７を励起する。レーザー発振光は固体レーザー媒質１７のレーザー光出力２０として取り出される。

ここでレーザー媒質１７は母材としてガーネット結晶（ＹＡＧ，ＹＡＯ，ＹＳＯ，ＧＳＧＧ，ＧＧＧ）でもよいし、フッ化物結晶（ＹＬＦ、ＬｉＳＡＦ、ＬｉＣＡＦ）でも、タングステート結晶（ＫＧＷ、ＫＹＷ）、バナデート結晶（ＹＶＯ₄、ＧｄＶＯ₄など）でも良い。またレーザー発振元素はＹｂでもＮｄでもＴｍ、Ｈｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｄでもよい。例えばＹｂ：ＹＡＧを選択した場合にはレーザー発振光（基本波）の波長の代表例としては１０３０ｎｍであり、第二高調波としては５１５ｎｍが選択される。また励起用のＬＤの波長は９４０ｎｍが代表的である。

また非線形光学結晶ＮＣとしてＬＢＯをあげたが、他にＢＢＯ、ＣＢＯ、ＣＬＢＯ、ＹＣＯＢ、ＧｄＣＯＢ、ＧｄＹＣＯＢ、ＫＴＰ、ＫＴＡ、ＫＤＰ、ＬｉＮｂＯ₃でもよい。なお、ＢＢＯは、求めない非線形効果が小さいので、ＬＢＯよりも望ましい。これまでは結晶を厚くする必要が有ったので、ウォークオフが強く敬遠されていたが、Ｙｂ：ＹＧＡマイクロチップレーザーとの組み合わせでは結晶を短くできることから有効となる。レーザー発振光の波長により位相整合が可能でしかも非線形光学常数の大きな結晶を選択すればより高い効率的で短パルスの発生が可能になる。特に、ＥｒレーザーとＰＰＭｇＬＮ（周期分極反転マグネシウ添加ニオブ酸リチウム）の組み合わせが良好である。

したがって、レーザー媒質内では大きなＴＥＭ₀₀モード、逆に非線形光学結晶内では小さなＴＥＭ₀₀モードで動作させることができ大出力で、高効率の非線形現象を実現することができる。さらに出力ミラー（ＯＣ）を路光に沿って前後に移動してもそれらのモードの変化が少ないために非線形光学ミラーモードロック動作を行わせる際に良好なレーザー特性を維持したまま、基本波とＳＨＧの分散を補正することができる。

本発明によれば、理化学用はもちろん加工などの産業分野においても必要とされている高出力で高品位、高信頼性なレーザー装置を高効率で提供することができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。例えば本発明における共振器構成において、レーザー共振器のサイズを小さくするために光路内に平面ミラーを１枚あるいは複数枚導入して光路を折り返しても、基本的な構成は本発明による範疇に含まれる。

本発明の非線形光学素子を備えた超短パルスレーザー装置は、理化学用はもちろんのこと加工用などの産業分野においても利用可能である。

本発明の第１実施例を示す非線形光学素子を備えた超短パルスレーザー装置の模式図である。本発明の第２実施例を示す非線形光学素子を備えた超短パルスレーザー装置の模式図である。本発明の第３実施例を示す非線形光学素子を備えた超短パルスレーザー装置の模式図である。本発明の第４実施例を示す非線形光学素子を備えた超短パルスレーザー装置の模式図である。本発明における、一方の面がヒートシンクに接合され、相対する面よりレーザー光を外部に入出射する反射型のレーザー媒質の一例を示す模式図である。

符号の説明

１〜４凹面ミラー１〜４（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４）
５平面出力ミラー（ＯＣ）
６平面終端ミラー（ＥＭ）
７，１５ヒートシンク
８反射型の薄型（マイクロチップ）レーザー媒質（ＬＣ）
９非線形光学結晶（ＮＣ）
１０レーザー発振光光路
１１励起用半導体レーザー
１２ＦＡコリメートレンズ
１３ＳＡ集光レンズ
１４ＦＡ集光レンズ
１４Ａ励起光
１６レーザー装置
１７固体レーザー媒質
１８励起光ガイド
１９励起光窓
２０レーザー光出力

Claims

薄型（マイクロチップ）レーザー媒質および非線形光学結晶をレーザー共振器内に備え、出力ミラーにはレーザー発振光の１０％以上を外部に透過する反射膜とレーザー発振光の第二高調波の波長に対する全反射膜が形成されており、前記非線形光学結晶より発生した第二高調波は前記レーザー共振器内で全反射で前記出力ミラーまで到達するように各共振器ミラーに反射膜が形成されたレーザー装置であって、前記非線形光学結晶の厚みを０．１ｍｍ〜２ｍｍと小さくすることを特徴とする非線形光学結晶を備えた超短パルスレーザー装置。
請求項１記載の非線形光学結晶を備えた超短パルスレーザー装置において、前記非線形光学結晶はレーザー発振光の波長により位相整合が可能でしかも非線形光学常数の大きな結晶であることを特徴とする非線形光学結晶を備えた超短パルスレーザー装置。
請求項１記載の非線形光学結晶を備えた超短パルスレーザー装置において、前記非線形光学結晶はＬＢＯ結晶であることを特徴とする非線形光学結晶を備えた超短パルスレーザー装置。
請求項１記載の非線形光学結晶を備えた超短パルスレーザー装置において、前記非線形光学結晶はＢＢＯ結晶であることを特徴とする非線形光学結晶を備えた超短パルスレーザー装置。
請求項１記載の非線形光学結晶を備えた超短パルスレーザー装置において、前記薄型（マイクロチップ）レーザー媒質の裏面にヒートシンクが接合されることを特徴とする非線形光学結晶を備えた超短パルスレーザー装置。
請求項１記載の非線形光学結晶を備えた超短パルスレーザー装置において、前記共振器ミラーは凹面ミラーからなり、前記出力ミラーとは反対側の光路の終端部に平面終端ミラーを具備することを特徴とする非線形光学結晶を備えた超短パルスレーザー装置。