JP2008047790A

JP2008047790A - パルスレーザ装置

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Publication number: JP2008047790A
Application number: JP2006223871A
Authority: JP
Inventors: Shogo Yamazoe; 昇吾山添; Takashi Adachi; 貴志足立
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2006-08-21
Filing date: 2006-08-21
Publication date: 2008-02-28

Abstract

【課題】パルスレーザ装置において、スペクトル幅の広いパルスレーザ光を発生し、小型化および低コスト化を図る。
【解決手段】共振器１１と、共振器１１内に配置されたパルス発振を誘起する光変調素子である可飽和吸収体ミラー９と、共振器１１内に配置された固体レーザ媒質７と、固体レーザ媒質７に励起光Ｌｅを入射させる励起手段１２とを備えたパルスレーザ装置１０において、共振器１１内に、固体レーザ媒質７と可飽和吸収体ミラー９により発せられるパルスレーザ光のスペクトル幅を拡大する非線形光学媒質としてフォトニッククリスタルファイバ８を配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、励起光源からの励起光により固体レーザ媒質から発振光を発生させてパルスレーザ光を出力するパルスレーザ装置に関するものである。

近年、医療やレーザ加工分野において、パルスレーザ光が幅広く使用され始めている。例えば、ＯＣＴ（ＯｐｔｉｃａｌＣｏｈｅｒｅｎｃｅＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ）と呼ばれる光の干渉を利用した断層画像の撮影方法では、分解能向上のためには低コヒーレンス光が望ましいため、５０ｎｍ以上のスペクトル幅をもつ広帯域のパルスレーザ光が使用されている。また、レーザ加工においては、パルス幅の伸縮およびパルスエネルギーの増幅によって生成された非常に高いピークパワーをもつパルスレーザ光が使用されている。このように、パルスレーザ光に対する性能要求は多彩なものとなってきており、そのスペクトルやパルス幅の制御が重要視されている（例えば、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３参照）。

従来、広帯域のスペクトルをもつパルスレーザ光を得る方法としては、ファイバ内部に周期的な屈折率分布を形成して光の閉じ込め効果を高めたフォトニッククリスタルファイバに、レーザ共振器から出力されたピコ秒またはフェムト秒のパルス幅をもつパルスレーザ光を集光して入射させることにより、紫外から近赤外にわたってスペクトルを有する広帯域パルスレーザ光を得る方法が知られている（例えば、非特許文献４、非特許文献５参照）。なお、パルス幅がフェムト秒のパルスレーザ光を出力するフェムト秒パルスレーザとしては、チタンサファイアレーザまたはファイバレーザ等が知られている。

また、パルス幅の制御に関しては、レーザ共振器から出力されたパルスレーザ光をグレーティング等を用いてチャープすることにより、パルス幅が拡大されたパルスレーザ光を得る方法等が知られている。
Opt. Lett. 13, 3224 (2005) Opt. Lett. 12, 695 (2004) J. Opt. Soc. Am. B. 16, 637 (1999) Nature 424, 511 (2003) Opt. Lett. 26, 1356 (2001)

しかしながら、上記のようなフェムト秒パルスレーザは、安定したモード同期および分散補償を得るために複雑な内部構造となっており、部品点数が多く高価であり、かつ大型であるために、これらを用いた広帯域パルスレーザ装置のパッケージコストが高くなってしまうという問題がある。

パルス幅がピコ秒のパルスレーザ光を出力するピコ秒パルスレーザは、フェムト秒レーザよりも単純な構造で安価であるが、上記の方法では、レーザ共振器から出力されたパルスレーザ光をフォトニッククリスタルファイバに入射させているため、所望のスペクトル幅を得るには数ｍもの長さのフォトニッククリスタルファイバが必要となる。このため、フォトニッククリスタルファイバ自体のコストが高くなり、さらに長尺のファイバを収納するためにパッケージコストが高くなることから、結果として、広帯域パルスレーザ装置が高価になってしまうという問題がある。

また、パルス幅の制御に関しても、従来の方法では、レーザ共振器の外部にパルス制御機構を設けて、レーザ共振器から出力されたパルスレーザ光を制御しているため、装置の小型化を促進することができず、装置のパッケージコストが高くなってしまうという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、本発明の第１の目的は、スペクトル幅の広いパルスレーザ光が得られ、小型で安価なパルスレーザ装置を提供することである。

また、本発明の第２の目的は、パルス幅の広いパルスレーザ光が得られ、小型で安価なパルスレーザ装置を提供することである。

さらに、本発明の第３の目的は、パルス幅の狭いパルスレーザ光が得られ、小型で安価なパルスレーザ装置を提供することである。

本発明の第１のパルスレーザ装置は、共振器と、該共振器内に配置されたパルス発振を誘起する光変調素子と、該共振器内に配置された固体レーザ媒質と、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パルスレーザ装置において、前記共振器内に、スペクトル幅を拡大させる非線形光学媒質を配置したことを特徴とするものである。

上記のスペクトル幅の拡大は、前記非線形光学媒質中における、自己位相変調、高調波発生、和周波発生、差周波発生、光パラメトリック発振、光パラメトリック増幅、誘導ラマン散乱、誘導ブリユアン散乱、シングルフィラメント連続光発生のいずれか、またはそれらの組み合わせによるものであってもよい。

前記非線形光学媒質が、フォトニッククリスタルファイバであってもよい。また、前記非線形光学媒質が、LiNb (Lithium Niobate)、LiF(Lithium Fluoride)、NaCl、KDP(Potassium Dihydrogen Phosphate)、BaF₂(Barium Floride)、及びCaF(Calcium Fluoride)からなる群より選択される少なくとも１種からなる固体媒質であることが望ましい。なお、この固体媒質は、不可避不純物を含んでいてもよい。また、前記非線形光学媒質が、H₂O、D₂O(Heavy water)、Methanol、Propanol、CCl_３、CCl₄、C₂HCl₃、CS₂、及びBenzeneからなる群より選択される少なくとも１種からなる液体媒質であることが望ましい。なお、この液体媒質は、不可避不純物を含んでいてもよい。あるいは、前記非線形光学媒質が、Fused silica又はglassであることが望ましい。

本発明の第２のパルスレーザ装置は、共振器と、該共振器内に配置されたパルス発振を誘起する光変調素子と、該共振器内に配置された固体レーザ媒質と、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パルスレーザ装置において、前記共振器内に、該共振器内の群速度分散を制御して、パルス幅を拡大させる光学機構を配置したことを特徴とするものである。

前記光学機構としては、フォトニッククリスタルファイバまたは石英ファイバ等を採用してもよく、あるいは、干渉を用いたものであってもよい。干渉を用いる場合は、共振器内にエタロン等の干渉部材を配置してこれを光学機構としてもよく、または、光変調素子、固体レーザ媒質、共振器の端部が有する面のうちいずれか２つ以上の面で反射した光が干渉するように構成してこれを光学機構としてもよい。

本発明の第３のパルスレーザ装置は、共振器と、該共振器内に配置されたパルス発振を誘起する光変調素子と、該共振器内に配置された固体レーザ媒質と、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パルスレーザ装置において、前記共振器内に、干渉を用いることにより該共振器内の群速度分散を制御して、パルス幅を縮小させる光学機構を配置したことを特徴とするものである。

前記光学機構としては、共振器内にエタロン等の干渉部材を配置してもよく、または、光変調素子、固体レーザ媒質、共振器の端部が有する面のうちいずれか２つ以上の面で反射した光が干渉するように構成してもよい。

本発明の第１、第２、第３のパルスレーザ装置において、前記光変調素子として、可飽和吸収体を用いてもよく、その際には、半導体可飽和ミラーを用いてもよい。

本発明の第１のパルスレーザ装置では、共振器内に、スペクトル幅を拡大させる非線形光学媒質を配置しているので、共振器内で発生した光は、この非線形光学媒質を進行する際に非線形効果を受けてスペクトル幅が拡大され、結果として、スペクトル幅の広いパルスレーザ光を共振器から出力させることができる。非線形光学媒質での光路長が長いほど、また光のパワーが大きいほど、非線形効果は大きくなり、スペクトル幅も広くなる。パルスレーザ装置は、共振器内で発生したパルスレーザ光のごく一部のみが共振器外に出力されるものであるから、共振器外に出力されるパルスレーザ光よりも共振器内で発生しているパルスレーザ光の方が大きなピークパワーを有している。よって、本発明の第１のパルスレーザ装置のように、共振器内に非線形光学媒質を配置すれば、従来の装置のように共振器外に非線形光学媒質を配置した場合よりも、少量の非線形光学媒質で広いスペクトル幅の光を得ることができ、非線形光学媒質の低コスト化が可能になる。例えば、従来では非線形光学媒質として長尺のファイバを用いていたものが、本発明によればファイバ長を格段に短くすることができるため、ファイバの低コスト化とともに、ファイバを収容するスペースの節約もでき、装置の小型化を促進することができる。また、共振器内にスペクトル幅を拡大する非線形光学媒質を配置することにより、従来では共振器外に配置されていたスペクトル幅拡大機構を取り除くことができるため、いっそうの装置の小型化が可能になり、パッケージコスト減が可能になる。

非線形光学媒質がフォトニッククリスタルファイバである場合は、フォトニッククリスタルファイバのクラッドに設ける空孔の大きさや間隔、並べ方により自由に光学特性を制御できるため、所望のスペクトル幅の光を容易に得ることができる。

本発明の第２のパルスレーザ装置によれば、共振器内に、パルス幅を拡大させる光学機構を配置しているので、パルス幅を拡大できるとともに、従来では共振器外に配置されていたパルス幅拡大機構を取り除くことが可能になり、小型化およびパッケージコスト減が可能となる。

光学機構がフォトニッククリスタルファイバである場合は、フォトニッククリスタルファイバのクラッドに設ける空孔の大きさや間隔、並べ方により自由に光学特性を制御できるため、所望のパルス幅の光を容易に得ることができる。また、光学機構が石英ファイバである場合は、安価で入手容易な部材により構成できる。

光学機構が、干渉を用いることにより群速度分散を制御してパルス幅を広げるものであれば、例えば、共振器内に配置された光変調素子、固体レーザ媒質、共振器の端部が有する面のいずれかを干渉用反射面として利用することができ、干渉用の部材を新たに設ける必要がないため、部品点数を削減でき、低コスト化を図ることができる。

本発明の第３のパルスレーザ装置によれば、共振器内に、パルス幅を縮小させる光学機構を配置しているので、パルス幅を縮小できるとともに、従来では共振器外に配置されていたパルス幅縮小機構を取り除くことが可能になり、小型化およびパッケージコスト減が可能となる。

光学機構が、干渉を用いることにより群速度分散を制御してパルス幅を狭めるものであれば、例えば、共振器内に配置された光変調素子、固体レーザ媒質、共振器の端部が有する面のいずれかを干渉用反射面として利用することができ、干渉用の部材を新たに設ける必要がないため、部品点数を削減でき、低コスト化を図ることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態のパルスレーザ装置１０の概略構成を示すものである。本実施形態のパルスレーザ装置１０は、スペクトル幅の拡大を図ったものであり、より詳しくは、非線形光学媒質を共振器内に配置することにより、該非線形光学媒質が共振器内に配置されていない場合よりも広いスペクトル幅をもつパルスレーザ光を得るものである。パルスレーザ装置１０は、共振器ミラー６およびパルス発振を誘起する光変調素子である可飽和吸収体ミラー９によって両端が構成されて、内部に固体レーザ媒質７と、フォトニッククリスタルファイバ８とが配置された共振器１１と、共振器１１の光軸と一致させて共振器ミラー６側から励起光を入射する励起手段１２とから構成された直線型共振器構造を有する。

フォトニッククリスタルファイバ８は、非線形光学媒質であり、クラッドに結晶のように整然と空孔を設けることにより、クラッドの実効的な屈折率をコアより低くし、光を導波する光ファイバであり、その空孔の大きさや間隔、並べ方により光学特性を自由に制御できる。本実施形態のフォトニッククリスタルファイバ８は、光を導波する過程で生じる非線形効果によりスペクトル幅を拡大するように設計されており、ゼロ分散波長が１０６４ｎｍ、コア径が２μｍ、全長１００ｍｍのものを使用している。

フォトニッククリスタルファイバ８は、固体レーザ媒質７と可飽和吸収体ミラー９の間に近接配置されており、フォトニッククリスタルファイバ８と固体レーザ媒質７の端面間の距離、およびフォトニッククリスタルファイバ８と可飽和吸収体ミラー９の端面間の距離はともに５μｍ以内である。

共振器ミラー６は、一端面が曲率１０ｍｍの凹面、他端面が平面の凹面ミラーであり、凹面が共振器内部に対向するように配置されている。共振器ミラー６の凹面には８５０〜１０６３ｎｍおよび１０６５〜１３００ｎｍの波長に対し反射率が５％以下である反射防止コートおよび１０６４±１ｎｍの波長に対して反射率が９９．９９％以上である高反射コートが施されており、平面には８５０〜１３００ｎｍの波長に対し反射率５％以下の反射防止コートが施されている。

固体レーザ媒質７は、一例としてＮｄが２％ドープされた厚さ０．５ｍｍのＮｄ：ＹＶＯ_４を用いている。固体レーザ媒質７の両端面には８５０〜１３００ｎｍの波長に対して反射率が１％以下、特に１０６４±１ｎｍの波長に対して反射率が０．１％以下となる反射防止コートが施されている。

可飽和吸収体ミラー９は、可飽和吸収体であり、半導体可飽和ミラーデバイスであるＳＥＳＡＭ（ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＳａｔｕｒａｂｌｅＡｂｓｏｒｂｅｒＭｉｒｒｏｒｓ、ＢＡＴＯＰ社製）を用いている。可飽和吸収体ミラー９は１０６４ｎｍ±１の波長に対し反射率９９．９９％、変調深さ０．５％、飽和フルーエンス９０μＪ／ｃｍ^２を有している。

上記構成の共振器１１によって、固体レーザ媒質７中に１５０μｍの発振光ビーム径、可飽和吸収体ミラー９上に１０μｍの発振光ビームウェスト径を形成した。

励起手段１２は、励起光源であり励起光Ｌｅを出射する半導体レーザ１と、該半導体レーザ１からの励起光Ｌｅを集光して固体レーザ媒質７に入射させるためのレンズ２、３、５からなる集光光学系とから構成されている。

半導体レーザ１は、高出力半導体レーザであり、例えばエミッターサイズ１００μｍ、最大出力３Ｗ（ｎｌｉｇｈｔ社製）のものを使用できる。集光光学系を構成するレンズ２は焦点距離１．５ｍｍのＦａｓｔａｘｉｓコリメートレンズであり、レンズ３は焦点距離１５ｍｍのＳｌｏｗａｘｉｓコリメートレンズであり、レンズ５は焦点距離８．５ｍｍのアクロマートレンズである。本集光光学系を用いることにより、固体レーザ媒質７内に３９×４１μｍの励起光ビームウェスト径が形成されている。

レンズ３、５の間には共振器１１からの出力光Ｌを外部へ出力させるためのダイクロイックミラー４が配置されている。ダイクロイックミラー４には、８０８±２ｎｍの波長に対し反射率５％以下の反射防止コートおよび８５０〜１３００ｎｍの波長に対し反射率９５％以上の高反射コートが施されている。

上記構成のパルスレーザ装置１０において、半導体レーザ１から出射された励起光Ｌｅはレンズ２、３、５により集光されて、共振器ミラー６を経由した後、固体レーザ媒質７に入射する。また、共振器１１内においては、固体レーザ媒質７は励起光Ｌｅにより励起され、固体レーザ媒質７から出射して共振器１１内を進行する光は、フォトニッククリスタルファイバ８内を導波される過程で生じる非線形効果によりスペクトル幅が拡大される。このようにしてスペクトル幅が拡大された発振光Ｌ_０の一部は共振器ミラー７から出力され、レンズ５を透過してダイクロイックミラー４で反射されて光路を９０度曲げられて出力光Ｌｏｕｔとして外部へ出力される。

上記構成のパルスレーザ装置１０を想定した理論計算の結果を以下に述べる。まず、フォトニッククリスタルファイバ８で全く非線形効果が生じず、すなわちスペクトル幅の拡大も起こらないとした場合には、励起出力３Ｗの励起に対し、繰り返し周波数１．１ＧＨｚ、パルス幅５ｐｓ、パルスエネルギー２６１ｎＪ、ピークパワー５２ｋＷ、スペクトル幅１ｎｍのパルスを共振器内に生成することが可能である。

次に、フォトニッククリスタルファイバ８での非線形効果を考慮して、この効果により生じる内部エネルギーロスを組み入れた理論計算によれば、パルスエネルギー１９ｎＪ、ピークパワー３．８ｋＷのパルスを共振器内に生成することが可能である。このパルスが長さ１００ｍｍのフォトニッククリスタルファイバ８を一往復すると、スペクトル幅が２００ｎｍに広がった広帯域パルスレーザ光を得ることが可能である。なお、ここでのスペクトル幅とは、スペクトルピーク強度に対し、１０^５分の１の値におけるスペクトル幅を意味する。

さらに、実際の実験条件を考慮したシミュレーションによれば、励起出力３Ｗの励起に対し、平均出力２ｍＷ、スペクトル幅１０００ｎｍ〜１１５０ｎｍに広がった広帯域パルスレーザ光を得ることができる。

このシミュレーションにより得られた広帯域パルスレーザ光のスペクトル形状は、波長１０６４ｎｍにおいて突出したピークが存在したものであるが、共振器から出力された広帯域パルスレーザ光を、波長１０６４ｎｍに対する透過率を下げたスペーシャルフィルターを透過させることにより、平坦なスペクトル形状を得ることができる。また、このスペーシャルフィルターの特性を変えれば、矩形、放物など任意のスペクトル形状のパルスレーザ光を形成することができるので、近年要求が高まっている多彩なスペクトル形状のパルスレーザ光の生成に有効である。

なお、上記の第１の実施形態では、パルスレーザ光を広帯域化する非線形媒質としてフォトニッククリスタルファイバを用いたが、代わりにLiNb (Lithium Niobate)、LiF(Lithium Fluoride)、NaCl、KDP(Potassium Dihydrogen Phosphate)、BaF₂(Barium Floride)、及びCaF(Calcium Fluoride)からなる群より選択される少なくとも１種からなる固体媒質（不可避不純物を含んでいてもよい）を用いてもよく、H₂O、D₂O(Heavy water)、Methanol、Propanol、CCl_３、CCl₄、C₂HCl₃、CS₂、及びBenzeneからなる群より選択される少なくとも１種からなる液体媒質を用いてもよく、Fused silica又はglassを用いてもよい。glassとしては例えばSF-11 glass（ＳＣＨＯＴＴ社製）を用いることができる。

また、パルスレーザ装置におけるスペクトルの広帯域化は、非線形光学媒質中における、自己位相変調、高調波発生、和周波発生、差周波発生、光パラメトリック発振、光パラメトリック増幅、誘導ラマン散乱、誘導ブリユアン散乱、シングルフィラメント連続光発生のうちのいずれか、またはそれらの組み合わせによって行うようにしてもよい。

次に、本発明の第２の実施形態によるパルスレーザ装置２０について説明する。図２は本発明の第２の実施形態のパルスレーザ装置２０の概略構成を示すものである。第１の実施形態のパルスレーザ装置１０と同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略し、主として第１の実施形態と異なる点について説明する。第２の実施形態のパルスレーザ装置２０は、パルス幅の拡大を図ったものであり、より詳しくは、群速度分散を制御してパルス幅を拡大する光学機構を共振器内に配置することにより、該光学機構が共振器内に配置されていない場合よりも広いパルス幅をもつパルスレーザ光を得るものである。

パルスレーザ装置２０では、第１の実施形態のパルスレーザ装置１０のダイクロイックミラー４、共振器ミラー６、固体レーザ媒質７、フォトニッククリスタルファイバ８に代り、それぞれダイクロイックミラー２４、共振器ミラー２６、固体レーザ媒質２７、石英ファイバ２８を用いている。

石英ファイバ２８は、正の群速度分散を有し、パルス幅を拡大する光学機構として機能するものである。石英ファイバ２８の長さを長くすると、正の群速度分散が大きくなることから、石英ファイバ２８の長さを調整することにより、任意のパルス幅に拡大することが可能である。パルスレーザ装置２０の石英ファイバ２８としては、全長５ｋｍ、コア径１０μｍのシングルモード石英ファイバが使用されている。

石英ファイバ２８は、固体レーザ媒質２７と可飽和吸収体ミラー９の間に近接配置されており、石英ファイバ２８と固体レーザ媒質２７の端面間の距離および石英ファイバ２８と可飽和吸収体ミラー９の端面間の距離はともに５μｍ以内である。

ダイクロイックミラー２４は、８０８±２ｎｍの波長に対し反射率５％以下の反射防止コートおよび１０６４±２ｎｍの波長に対し反射率９５％以上の高反射コートが施されている。共振器ミラー２６は第１の実施形態の共振器ミラー６と同じ形状であるが、凹面には、８０８±２ｎｍの波長に対し反射率５％以下の反射防止コートおよび１０６４±１ｎｍの波長に対し反射率９９．９９％以上の高反射コートが施されおり、平面には８０８±２ｎｍおよび１０６４±１ｎｍの波長に対し５％以下の反射率を有する反射防止コートが施されている。

固体レーザ媒質２７は、第１の実施形態の固体レーザ媒質７と同じＮｄドープ量、厚みのものであるが、両端面に８０８±２ｎｍの波長に対し５％以下、１０６４ｎｍ±１ｎｍの波長に対しては０．１％以下の反射率を有する反射防止コートが施されている。

上記構成のパルスレーザ装置を用いて、パルス幅１５ｐｓ、出力０．３ｍＷ、繰返し周波数２０ｋＨｚのパルスレーザ光を得ることができた。石英ファイバ２８を配置していない場合のパルス幅は約５ｐｓであるため、石英ファイバ２８を配置することによりパルス幅を３倍に拡大できたことになる。

上記の第２の実施形態では、パルス幅を拡大する光学機構として石英ファイバを用いたが、これに限定されるものではなく、例えば、石英ファイバの代わりに、正の群速度分散を有するように構成されたフォトニッククリスタルファイバを用いてもよい。また、石英ファイバの代わりに、石英ファイバよりも大きな正の群速度分散を有する光学媒質を用いれば、石英ファイバよりも短い光学媒質長でパルス幅を拡大することができる。

次に、本発明の第３の実施形態によるパルスレーザ装置３０について説明する。図３は本発明の第３の実施形態のパルスレーザ装置３０の概略構成を示すものである。第２の実施形態のパルスレーザ装置２０と同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略し、主として第２の実施形態と異なる点について説明する。第３の実施形態のパルスレーザ装置３０は、パルス幅の縮小を図ったものであり、より詳しくは、干渉により群速度分散を制御してパルス幅を縮小する光学機構を共振器内に配置することにより、該光学機構が共振器内に配置されていない場合よりも狭いパルス幅をもつパルスレーザ光を得るものである。

パルスレーザ装置３０では、第２の実施形態のパルスレーザ装置２０の石英ファイバ２８に代り、エタロン３８を用いている。エタロン３８は、パルス幅を縮小する光学機構として機能するものであり、固体レーザ媒質２７と可飽和吸収体ミラー９との間の光路に配置されている。エタロン３８は、負の群速度分散を有するよう構成されており、群速度分散を制御してパルス幅を縮小する光学機構として機能するものである。エタロン３８は、平行に配置された２枚の平面ガラスからなり、その内面は反射層が形成され、これらの面で発振光Ｌ_０を干渉させることにより、群速度分散を制御してパルス幅を縮小する。エタロン３８の２枚の平面ガラスの間隔を変化させることにより、群速度分散の値を変化させることができ、これによりパルス幅の縮小量を変化することができる。

次に、本発明の第４の実施形態によるパルスレーザ装置４０について説明する。図４は本発明の第４の実施形態のパルスレーザ装置４０の概略構成を示すものである。第２の実施形態のパルスレーザ装置２０と同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略し、主として第２の実施形態と異なる点について説明する。本実施形態のパルスレーザ装置４０は、パルス幅の縮小を図ったものであり、より詳しくは、干渉により群速度分散を制御する光学機構を共振器内に設けることにより、該光学機構を共振器内に設けない場合よりも狭いパルス幅をもつパルスレーザ光を得るものである。

パルスレーザ装置４０は、第３の実施形態のパルスレーザ装置３０からエタロン３８を取り去り、パルスレーザ装置３０の固体レーザ媒質２７に代り、固体レーザ媒質３７を用いている。

固体レーザ媒質３７は、第２の実施形態の固体レーザ媒質２７と同じＮｄドープ量、厚みであり、各コートの波長帯域も同じであるが、反射率の値が若干異なり、群速度分散を制御して所望のパルス幅となるように反射率が最適化されている。

パルスレーザ装置４０では、群速度分散を制御する光学機構として、固体レーザ媒質３７の両端面で反射した光が干渉し、これにより群速度分散を制御してパルス幅を縮小するように構成されている。干渉に用いられる固体レーザ媒質３７の両端面間の距離を変化させることにより、群速度分散の値を変化させることができ、これによりパルス幅の縮小量を変化することができる。また、第４の実施形態を第３の実施形態と比較すると、共振器内にエタロンを配置していないため、部品点数の削減による低コスト化が可能になる。

なお、第４の実施形態では、群速度分散を制御するための干渉用反射面として、固体レーザ媒質３７の両端面を用いたが、これらに限定されるものではなく、共振器ミラーの一端面、固体レーザ媒質の２つの端面、可飽和吸収体ミラーの一端面のうち任意の面を用いることができる。また、共振器内に干渉用反射面をもつ反射部材をさらに配置して、共振器ミラーの一端面、固体レーザ媒質の２つの端面、可飽和吸収体ミラーの一端面、反射部材がもつ反射面のうち任意の面を用いて干渉させ、群速度分散を制御してパルス幅を縮小するようにしてもよい。なお、干渉用反射面として用いられる面間距離および該面のコートの仕様は、所望のパルス幅に応じて構成することは言うまでもない。

また、上記第３、第４の実施形態および変形例では、干渉を利用して群速度分散を制御してパルス幅を縮小する光学機構について述べたが、干渉用反射面の構成や反射面間の距離を設定することにより、干渉を利用して群速度分散を制御してパルス幅を拡大する光学機構を実現することも可能である。

なお、第１〜第４の実施形態においては、モード同期型のパルスレーザ装置を例にとり、パルス発振を誘起する光変調素子としてＳＥＳＡＭを用いたが、もちろん別の手段を用いてもよい。半導体以外の例えばカーボンナノチューブを用いた可飽和吸収体でも良い。また、固体レーザ媒質自身の光カー効果を生じる性質を利用したカーレンズモード同期（Ｋｅｒｒｌｅｎｓｍｏｄｅｌｏｃｋｉｎｇ；ＫＬＭ）や、ＫＬＭとＳＥＳＡＭなどの併用、能動モード同期素子（例えば音響光学素子による強度変調や周波数変調）なども実用的に使用可能である。また、本発明は、Ｑスイッチを用いたものなど、モード同期型以外のパルスレーザ装置にも適用可能である。さらに、共振器としては、直線型共振器に限定されるものではなく、Ｖ型あるいはＺ型共振器なども使用可能である。

本発明の第１の実施形態のパルスレーザ装置の概略構成図本発明の第２の実施形態のパルスレーザ装置の概要構成図本発明の第３の実施形態のパルスレーザ装置の概要構成図本発明の第４の実施形態のパルスレーザ装置の概要構成図

符号の説明

１半導体レーザ
２、３、５レンズ
４ダイクロイックミラー
６、２６、３６、４６共振器ミラー
７、２７、３７、４７固体レーザ媒質
８フォトニッククリスタルファイバ
９可飽和吸収体ミラー（光変調素子）
１０、２０、３０、４０パルスレーザ装置
１１、２１、３１、４１共振器
１２、２２励起手段
２８石英ファイバ
３８エタロン
Ｌｅ励起光
Ｌ_０発振光
Ｌ出力光

Claims

共振器と、該共振器内に配置されたパルス発振を誘起する光変調素子と、該共振器内に配置された固体レーザ媒質と、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パルスレーザ装置において、
前記共振器内に、スペクトル幅を拡大させる非線形光学媒質を配置したことを特徴とするパルスレーザ装置。
前記スペクトル幅の拡大が、前記非線形光学媒質中における、自己位相変調、高調波発生、和周波発生、差周波発生、光パラメトリック発振、光パラメトリック増幅、誘導ラマン散乱、誘導ブリユアン散乱、シングルフィラメント連続光発生のいずれか、またはそれらの組み合わせによることを特徴とする請求項１記載のパルスレーザ装置。
前記非線形光学媒質が、フォトニッククリスタルファイバであることを特徴とする請求項１または２項記載のパルスレーザ装置。
前記非線形光学媒質が、LiNb、LiF、NaCl、KDP(Ｄは重水素を示す)、BaF₂、及びCaFからなる群より選択される少なくとも１種からなる固体媒質であることを特徴とする請求項１または２記載のパルスレーザ装置。
前記非線形光学媒質が、H₂O、D₂O(Ｄは重水素を示す)、Methanol、Propanol、CCl_３、CCl₄、C₂HCl₃、CS₂、及びBenzeneからなる群より選択される少なくとも１種からなる液体媒質であることを特徴とする請求項１または２記載のパルスレーザ装置。
前記非線形光学媒質が、Fused silica又はglassであることを特徴とする請求項１または２記載のパルスレーザ装置。
共振器と、該共振器内に配置されたパルス発振を誘起する光変調素子と、該共振器内に配置された固体レーザ媒質と、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パルスレーザ装置において、
前記共振器内に、該共振器内の群速度分散を制御して、パルス幅を拡大させる光学機構を配置したことを特徴とするパルスレーザ装置。
前記光学機構が、フォトニッククリスタルファイバまたは石英ファイバであることを特徴とする請求項７記載のパルスレーザ装置。
前記光学機構が、干渉を用いたものであることを特徴とする請求項７記載のパルスレーザ装置。
共振器と、該共振器内に配置されたパルス発振を誘起する光変調素子と、該共振器内に配置された固体レーザ媒質と、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パルスレーザ装置において、
前記共振器内に、干渉を用いることにより該共振器内の群速度分散を制御して、パルス幅を縮小させる光学機構を配置したことを特徴とするパルスレーザ装置。
前記光変調素子が、可飽和吸収体であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項記載のパルスレーザ装置。
前記可飽和吸収体が、半導体可飽和ミラーであることを特徴とする請求項１１記載のパルスレーザ装置。