JP2008004882A - レーザ装置および光増幅装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】固体利得媒質を備えたレーザ装置において、広帯域な発振スペクトル帯域の発振を可能とする。
【解決手段】レーザ装置１において、共振器10と、該共振器10内に配置された互いに少なくとも一部が重なる蛍光スペクトル帯域を有する複数の固体利得媒質51,52,53と、該複数の固体利得媒質51,52,53を励起する励起手段２とを備え、複数の固体利得媒質51,52,53による全蛍光スペクトル幅を、固体利得媒質のそれぞれの蛍光スペクトル幅よりも大きくする。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ装置および光増幅装置に関し、特には複数の固体利得媒質を備えたレーザ装置および光増幅装置に関するものである。
短パルスレーザ（モードロックレーザ）としては、発光波長帯域の広いレーザ媒質が好適である。発光波長帯域が広いレーザ媒質として、特に、固体レーザ媒質（固体利得媒質）では希土類イオンであるYb（イッテルビウム）イオンを添加した材料（非特許文献１）、Nd（ネオジム）イオンを添加したガラス（特許文献１）、またTi（チタン）等の遷移金属イオンを添加した材料（特許文献２）がよく知られている。また、ファイバレーザではEr（エルビウム）添加ファイバ（特許文献３）等がよく知られている。p（ピコ）秒からf（フェムト）秒クラスの短パルスレーザは、発光波長帯域が非常に広いレーザ媒質が必要となるため、前述の特許文献１から３、非特許文献１等に代表されるような限られた材料、つまり波長は赤外域に限られていた。また、１μｍ帯のレーザ発振には有利な４準位系のNdイオンは、母材としてYAG（Y3Al5O12)を用いた系においてよく知られているように、発光幅は狭く短パルスレーザには使用できず、発光幅を広くできる上述したガラス母材が主に使われる。しかし、ガラスは熱伝導率が小さいためにNdイオン添加ガラス固体レーザは高出力化には不向きという問題がある。
波長可変レーザとしては、半導体レーザや色素レーザ、Ti：サファイアレーザ、OPO（光パラメトリック発振器）などを用いた方式がそれぞれ提案されている。特に、半導体レーザを用いた波長可変レーザの開発は近年盛んであるが、発振領域が主に赤外〜近赤外の領域であって、可視領域においては青紫色領域以外は未だ実現されていない。また、Ti：サファイアレーザは、波長可変レーザとして良く用いられている一つであるが、発振波長は近赤外域に限られる。これら、赤外〜近赤外域発振のレーザであってもＳＨＧ（第二高調波）を利用すれば、可視域もカバーすることが可能であるが、高い効率、優れた安定性が実現されたものは皆無である。これに対して、色素レーザは、一つの色素を用いた場合の可変波長域は平均して５０ｎｍ程度であるが、数種類の色素を利用することによって、紫外〜近赤外の波長域でレーザ発振をさせることが可能である。しかし、色素は劣化による問題が大きく、短波長域においては励起光源が高価となる欠点も有する。一方、OPOは、比較的広い可変波長域をカバーできるが、ビーム品質等のいくつかの問題を抱えている。従って、波長可変レーザとして現在提案されている方式にはいずれも一長一短があり、産業用への応用が困難なものとなっている。
特開平06-244486号公報 特表2003-500861号公報 特開平08-051246号公報 Optics Letter Vol.20,2402-2405,1995
以上のように、短パルスレーザにおいても波長可変レーザにおいても赤外〜可視域の広範囲に亘る発振スペクトル帯域の発振が可能で、かつ安定性の高い装置が求められている。なお、レーザ光を増幅する光増幅装置においても同様である。
本発明は、上記事情に鑑み、広帯域な発振スペクトル帯域の発振が可能なレーザ装置および広帯域なシード光波長に対して光増幅が可能な光増幅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、該共振器内に配置された互いに少なくとも一部が重なる蛍光スペクトル帯域を有する複数の固体利得媒質と、該複数の固体利得媒質を励起する励起手段とを備え、前記複数の固体利得媒質による全蛍光スペクトル幅が、前記固体利得媒質のそれぞれの蛍光スペクトル幅よりも大きいことを特徴とするものである。なお、複数の固体利得媒質の蛍光ピーク波長は互いに異なるものであることが望ましい。
ここで、蛍光スペクトル幅とは、蛍光スペクトル帯域におけるピーク波長の半値全幅をいうものであり、複数のピーク波長が存在する場合はそのうち最も広い半値全幅で定義するものとし、複数の固体利得媒質による全蛍光スペクトル幅とは、複数の固体利得媒質の蛍光スペクトル帯域が一部重なりあって形成される全蛍光スペクトル帯域におけるピーク波長の半値全幅をいうものであり、複数のピーク波長が存在する場合はそのうち発振させたい所望の波長範囲における半値全幅で定義するものとする。
励起手段は、複数の固体利得媒質を同時に励起できるものであれば、励起光を出力する励起光源を１つのみ備えたものであってもよいし、励起光源を複数備えていてもよい。
前記複数の固体利得媒質のそれぞれは、前記全蛍光スペクトル幅が所望の値となるように、蛍光ピークの数および波長が選択され、かつ配列されていることが望ましい。さらには、複数の固体利得媒質のそれぞれが、蛍光強度を調整されて配列されていることが望ましい。
またあるいは、前記励起手段は、前記全蛍光スペクトル幅が所望の値となるように、該励起手段から出力される励起光の波長、数、およびパワーが選択することができる。
前記複数の固体利得媒質は、一体化されていることが望ましい。ここで、一体化とは、互いの発振光入出射面が接触されている状態やモノリシック化されている状態をいうが、それぞれ個別に形成された固体利得媒質を接着剤等により接合して一体化されたものでもよいし、接着剤を使わずにオプティカルコンタクト等により接合して一体化されたものでもよい。また、多結晶体で作製され、それぞれの固体利得媒質を積層して焼結させて一体化作製されたものもよい。
複数の固体利得媒質が一体化されている場合、それぞれが多結晶体であることが望ましい。また、固体利得媒質が多結晶体である場合には、ガーネット型構造、Ｃ−希土類型構造、およびペロブスカイト型構造のうちいずれかの構造を有する母材に希土類イオンが添加されてなるものであることが望ましい。さらに、複数の固体利得媒質が、互いに同一の構造を有する母材に互いに同一の希土類イオンが添加されてなるものであることが望ましい。
本発明のレーザ装置は、モードロックレーザ装置として、あるいは波長可変レーザ装置として好適に用いることができる。
本発明のレーザ装置は、前記固体利得媒質からの発振光の波長を変換する少なくとも一つの波長変換素子を備え、波長変換光を出力光とするものとして用いることもできる。
本発明の光増幅装置は、互いに少なくとも一部が重なる蛍光スペクトル帯域を有する複数の固体利得媒質と、該複数の固体利得媒質を励起する励起手段とを備え、前記複数の固体利得媒質による全蛍光スペクトル幅が、前記固体利得媒質のそれぞれの蛍光スペクトル幅よりも大きいことを特徴とするものである。なお、複数の固体利得媒質の蛍光ピーク波長は互いに異なるものであることが望ましい。また、蛍光スペクトル幅および全蛍光スペクトル幅については、上述のレーザ装置の場合と同様に定義されるものとする。
ここでも、励起手段は、複数の固体利得媒質を同時に励起できるものであれば、励起光を出力する励起光源を１つのみ備えたものであってもよいし、励起光源を複数備えていてもよい。
前記複数の固体利得媒質のそれぞれは、前記全蛍光スペクトル帯域幅が所望の値となるように、蛍光ピークの数および波長が選択され、かつ配列されていることが望ましい。さらには、複数の固体利得媒質のそれぞれが、蛍光強度を調整されて配列されていることが望ましい。
前記励起手段は、前記全蛍光スペクトル帯域幅が所望の値となるように、該励起手段から出力される励起光の波長、数、およびパワーが選択することができる。
前記複数の固体利得媒質は、一体化されていることが望ましい。一体化は上述のレーザ装置の場合と同様に定義されるものとする。
複数の固体利得媒質が一体化されている場合、それぞれが多結晶体であることが望ましい。また、固体利得媒質が多結晶体である場合には、ガーネット型構造、Ｃ−希土類型構造、およびペロブスカイト型構造のうちいずれかの構造を有する母材に希土類イオンが添加されてなるものであることが望ましい。さらに、複数の固体利得媒質が、互いに同一の構造を有する母材に互いに同一の希土類イオンが添加されてなるものであることが望ましい。
本発明のレーザ装置は、共振器内に配置された互いに少なくとも一部が重なる蛍光スペクトル帯域を有する複数の固体利得媒質を備えており、この複数の固体利得媒質による全蛍光スペクトル幅が、固体利得媒質のそれぞれの蛍光スペクトル幅よりも大きいので、固体利得媒質の組み合わせにより、可視から赤外までの広い波長域をカバーすることができる。固体利得媒質は色素と比較して安定性が高くレーザ装置としても安定性の高いものとすることができる。
本発明の光増幅装置は、互いに少なくとも一部が重なる蛍光スペクトル帯域を有する複数の固体利得媒質を備えており、この複数の固体利得媒質による全蛍光スペクトル幅が、固体利得媒質のそれぞれの蛍光スペクトル幅よりも大きいので、固体利得媒質の組み合わせにより、可視から赤外までの広い波長域をカバーすることができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態のレーザ装置である。本レーザ装置１は、共振器10と、該共振器10内に配置された互いに少なくとも一部が重なる蛍光スペクトル帯域を有する複数の固体利得媒質51、52、53を備えたレーザ媒質群５と、該複数の固体利得媒質51、52、53を励起する励起手段２とを備えている。
励起手段２は、励起光であるレーザビームＬ１を発する半導体レーザ11と、レーザビームＬ1を共振器内に導く集光光学系12とからなる。
共振器10は凹面ミラー４と半導体可飽和吸収ミラー（以下、SESAM：BATOP社製）７により構成されており、共振器10内には、さらに偏光制御手段としてのブリュースタ板６が配置されている。
レーザ媒質群５は、励起光であるレーザビームＬ1を受け固体レーザ光を発し、SESAM７によりモードロック動作し、凹面ミラー４からパルス光のレーザビームＬ2として出力される。出力されたレーザビームＬ2は、集光光学系12と凹面ミラー４との間に配置したダイクロイックミラー３から外部に取り出される。
レーザ媒質群５を構成する複数の固体利得媒質51、52、53は、全蛍光スペクトル幅が、固体利得媒質51、52、53のそれぞれの蛍光スペクトル幅よりも大きいことを特徴とするものであり、以下にその具体例を挙げる。
レーザ媒質群５は、それぞれNdイオンが添加されたガーネット系Lu3Ga5O12媒質51、Gd3Sc2Al3O12媒質52、Gd3Sc2Ga3O12媒質53が、レーザビームＬ1が入射する方向から順に配列されたものとして構成することができる。この場合、蛍光ピーク波長は、それぞれ1062.3ｎｍ、1059.9ｎｍ、1061.2ｎｍであり、蛍光スペクトル幅は、それぞれ1.02ｎｍ、1.1ｎｍ、1.6ｎｍである。レーザ媒質51〜53は、中央に配置されたレーザ媒質52の励起光吸収量が、前後のレーザ媒質51、53の励起光吸収量よりも大きくなるように、Nd濃度が全て１at％であり、厚みがそれぞれ0.3ｍｍ、0.5ｍｍ、0.5ｍｍであり、約0.1ｍｍ間隔で配置されている。810ｎｍ帯のレーザ光で励起した場合（すなわちレーザビームＬ1が810ｎｍ帯のレーザ光である場合）、レーザ媒質52の蛍光強度は、レーザ媒質51、53の蛍光強度よりも高く、レーザ媒質群５の３つの固体利得媒質51〜53による1.06μｍ波長帯の蛍光ピーク波長がレーザ媒質52の蛍光ピーク波長1059.9nmとほぼ一致し、全蛍光スペクトル幅は、約３ｎｍであり、個々のレーザ媒質の蛍光スペクトル幅1ｎｍ〜1.6ｎｍよりも2〜3倍広い蛍光スペクトル幅が得られる。なお、このとき、固体利得媒質51〜53の両端面には、レーザビームＬ1、Ｌ2の両波長に対して良好に透過するコーティングが施されている。
集光光学系12は、ｆ＝８ｍｍの非球面レンズ13、それぞれｆ＝−7.7、ｆ＝70のシリンドリカルレンズ14、15およびｆ＝60のアクロマティックレンズ16とから構成されている。半導体レーザから発せられるレーザビームＬ1は、集光光学系12により、Gd3Sc2Al3O12媒質52の中央に励起光ビームウエストがくるように入射される。なお、半導体レーザとしては、波長810ｎｍ帯の発光幅100μｍのものを用い、集光光学系12により、中央に配置したGd3Sc2Al3O12媒質52中に50μｍ×140μｍの励起光ビームウエストを形成することができる。
SESAM７としては、波長1040ｎｍに対し0.7％の吸収率をもつものを用いる。凹面ミラー４としては、レーザビームＬ2に対し透過率が１％であり、曲率半径が50ｍｍを用い、共振器長は空気中の長さで50ｍｍとなるようにする。なお、本共振器構造により、SESAM７上に1/e2直径で90μｍの発振光ビームウエストを形成することができる。レーザ媒質群５は、SESAM７からGd3Sc2Al3O12媒質52の中央が約15ｍｍの位置となるように配置され、同位置で発振ビーム1/e2直径は約240μｍとなる。
本レーザ装置においては、Ndを添加したガーネット系のレーザ媒質、例えばNd：YAGに比べて、発振波長帯域が広くなるので、短パルス化が実現可能である。
具体的には、本レーザ装置を用いた場合、２Ｗの励起パワーに対し、平均出力100ｍＷ、パルス幅３psec.、繰り返し周波数３ＧＨｚのパルス光を得ることができた。
本実施形態においては、３つの固体利得媒質を用いているが、３つに関わらずいくつでも良く、発振スペクトル幅を制御することで、パルス幅を自由に制御可能である。本実施例では、蛍光強度を調整するためにレーザ媒質の厚みを調整したが、添加されている希土類イオンの濃度を調整しても良い。また、希土類はNd以外にも他の全てが適用可能であり、Pr、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er等の希土類を用いれば、可視領域の短パルスレーザも可能である。
なお、上記実施形態においては、レーザ媒質群の各固体利得媒質が0.1ｍｍの間隔で配置されているものとしたが、図２に示すレーザ媒質群５'の側面図のように、複数の固体利得媒質51、52、53は、互いの発振光入出射面が接触するように一体化されていてもよい。それぞれ個別に形成された固体利得媒質を接着剤等により接合して一体化されたものでもよいし、接着剤を使わずにオプティカルコンタクト等により接合して一体化されたものでもよい。特に多結晶体で作製され、それぞれの固体利得媒質を積層して焼結させて一体化作製されたものもよい。
ガーネット系の材料だけでは無く、異なる結晶構造の材料同士を配置しても良い。また多結晶体においては、ガーネット系以外にペロブスカイト型、C-希土類型の結晶構造のものが好ましい。さらに、レーザ媒質群を構成する複数の固体利得媒質は、互いに同一の構造を有する母材に互いに同一の希土類イオンが添加されてなるものであることが望ましい。同一の構造を有する母材、同一の希土類イオンが添加されている場合は、誘導放出断面積、蛍光寿命に大きな差が無く、閾値を合わせ易く、全レーザ媒質の発光を有効に利用できる。
本実施形態では、ファブリーペロー型の共振器構造の形態を説明したが、共振器構造としては、Ｚ型構造、bowtie型等の如何なる構造形態でも良い。
また、上記実施形態のレーザ装置において、共振器内、または共振器の外に少なくとも一つの波長変換素子を配置し、波長変換光を取り出すよう構成することもできる。
本発明は、モードロックレーザ装置に限らず、波長制御素子を配置した波長可変レーザや光増幅装置としても有効に機能する。
図３は、本発明の第２の実施形態である波長可変レーザ装置20である。本波長可変レーザ装置20は、上述の第１の実施形態の場合と同一のレーザ媒質群５を備え、このレーザ媒質群５の１つの固体利得媒質端面（最も励起光入射側に配置された固体利得媒質51の励起光入射側の端面51ａ）と凹面出力ミラー22とで共振器25が構成されている。励起手段２は、第１の実施形態のものと同一である。
凹面出力ミラー22は、1060ｎｍから1070ｎｍの広い範囲の発振波長対し透過率が１％のものが用いられ、さらに、共振器25内に波長変調素子である複屈折フィルター26を備えている。この複屈折フィルター26を、共振器光軸に対しブリュースタ角傾けて配置することで、直線偏光で発振させることができる。
本波長可変レーザ装置20においては、複屈折フィルター26の作用により1062ｎｍ〜1066ｎｍのレーザ光Ｌ2を得ることができる。
図３は、本発明の第３の実施形態である光増幅装置30である。本光増幅装置30は、第１の実施形態の場合と同一のレーザ媒質群５を用いた、固体レーザ増幅器である再生増幅器の構成例である。
別に用意したシードレーザとしてのNd：YVO4モード同期発振器40（中心波長1064ｎｍ）からの短パルスレーザ光（シード光）Ｌｓを、図示しない回折格子対によりパルス幅を伸張する。その後、再生増幅器30に偏光子41から導入し、電気光学素子と四分の一波長板の組合せ42において、当初、電気光学素子に加える電圧を零とし、四分の一波長だけの位相差を与え、再生増幅器内に捕捉する。２パス目は、電気光学素子に四分の一波長だけの位相差を与え、補足された光子を共振器内に閉じ込める。電気光学素子に半波長電圧を加えるか電圧をオフにし、最終的に取り出す（詳細はKochner、Solid-State Laser Engineering（第4版、p.541）参照。）。
固体利得媒質群５は半導体レーザ32および光学系33からなる励起手段34により入力用凹面ミラー39から入射された励起光Ｌｅにより励起されており、シード光は凹面ミラー38および39を介して反射鏡36および37間を往復することで増幅される。最終的には、増幅されたパルスをパルス圧縮し圧縮されたパルス光Ｌpが反射鏡36から出力される。
上記実施形態においては、固体レーザ増幅器として再生増幅器を例に挙げて説明したが、本発明のレーザ増幅器は、再生増幅器にのみ限定されるものではなく、単一通過型あるいはダブルパス型や４パス型のいわゆるマルチパス型レーザ増幅器においても容易に適用可能である。
本発明の第１の実施形態のレーザ装置の概略構成を示す模式図 レーザ媒質群の他の例を示す図 本発明の第２の実施形態の波長可変レーザ装置の概略構成を示す模式図 本発明の第３の実施形態の光増幅器の概略構成を示す模式図
符号の説明
１ レーザ装置
２ 励起手段
４ 凹面ミラー
５、５’ レーザ媒質群
７ 半導体可飽和吸収ミラー
10 共振器
11 半導体レーザ
12 集光光学系
20 波長可変レーザ装置
30 光増幅装置（再生増幅装置）
51、52、53 固体利得媒質

Claims (19)

  1. 共振器と、該共振器内に配置された互いに少なくとも一部が重なる蛍光スペクトル帯域を有する複数の固体利得媒質と、該複数の固体利得媒質を励起する励起手段とを備え、前記複数の固体利得媒質による全蛍光スペクトル幅が、前記固体利得媒質のそれぞれの蛍光スペクトル幅よりも大きいことを特徴とするレーザ装置。
  2. 前記複数の固体利得媒質のそれぞれが、前記全蛍光スペクトル幅が所望の値となるように、蛍光ピークの数および波長が選択され、かつ配列されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
  3. 前記複数の固体利得媒質のそれぞれが、蛍光強度を調整されて配列されていることを特徴とする請求項２記載のレーザ装置。
  4. 前記励起手段が、前記全蛍光スペクトル幅が所望の値となるように、該励起手段から出力される励起光の波長、数、およびパワーが選択されてなるものであることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載のレーザ装置。
  5. 前記複数の固体利得媒質が、一体化されている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. 前記複数の固体利得媒質がそれぞれ、多結晶体であることを特徴とする請求項５記載のレーザ装置。
  7. 前記複数の固体利得媒質がそれぞれ、ガーネット型構造、Ｃ−希土類型構造、およびペロブスカイト型構造のうちいずれかの構造を有する母材に希土類イオンが添加されてなるものであることを特徴とする請求項６記載のレーザ装置。
  8. 前記複数の固体利得媒質が、互いに同一の構造を有する母材に互いに同一の希土類イオンが添加されてなるものであることを特徴とする請求項７記載のレーザ装置。
  9. モードロックレーザ装置として用いられることを特徴とする請求項１から８いずれか１項記載のレーザ装置。
  10. 波長可変レーザ装置として用いられることを特徴とする請求項１から８いずれか１項記載のレーザ装置。
  11. 前記固体利得媒質からの発振光の波長を変換する少なくとも一つの波長変換素子を備え、波長変換光を出力光とするものであることを特徴とする請求項１から９いずれか１項記載のレーザ装置。
  12. 互いに少なくとも一部が重なる蛍光スペクトル帯域を有する複数の固体利得媒質と、該複数の固体利得媒質を励起する励起手段とを備え、前記複数の固体利得媒質による全蛍光スペクトル幅が、前記固体利得媒質のそれぞれの蛍光スペクトル幅よりも大きいことを特徴とする光増幅装置。
  13. 前記複数の固体利得媒質のそれぞれが、前記全蛍光スペクトル帯域幅が所望の値となるように、蛍光ピークの数および波長が選択され、かつ配列されていることを特徴とする請求項１２記載の光増幅装置。
  14. 前記複数の固体利得媒質のそれぞれが、蛍光強度を調整されて配列されていることを特徴とする請求項１３記載の光増幅装置。
  15. 前記励起手段が、前記全蛍光スペクトル帯域幅が所望の値となるように、該励起手段から出力される励起光の波長、数、およびパワーが選択されてなるものであることを特徴とする請求項１２から１４いずれか１項記載の光増幅装置。
  16. 前記複数の固体利得媒質が、一体化されていることを特徴とする請求項１２から１５いずれか１項記載の光増幅装置。
  17. 前記複数の固体利得媒質がそれぞれ、多結晶体であることを特徴とする請求項１６記載の光増幅装置。
  18. 前記複数の固体利得媒質がそれぞれ、ガーネット型構造、Ｃ−希土類型構造、およびペロブスカイト型構造のうちいずれかの構造を有する母材に希土類イオンが添加されてなるものであることを特徴とする請求項１７記載の光増幅装置。
  19. 前記複数の固体利得媒質が、互いに同一の構造を有する母材に互いに同一の希土類イオンが添加されてなるものであることを特徴とする請求項１８記載の光増幅装置。
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