JP2008277705A - Regenerative amplifier and ultrashort pulsed laser - Google Patents

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和幸 赤川
Tomoyuki Wada
智之 和田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ultrashort pulsed laser with high output of an ultrashort pulsed light beam of femtosecond using a columnar shaped Yb:YAG crystal as a solid-state laser medium. <P>SOLUTION: An ultrashort pulsed laser has an oscillator 1 outputting an ultrashort pulsed light of femtosecond, a pulse stretcher 2 extending a pulse width of the ultrashort pulsed light, a regenerative amplifier 3 amplifying energy of the extended ultrashort pulsed light, and a pulse compressor 4 compressing a pulse width of the ultrashort pulsed light from the regenerative amplifier 3. The regenerative amplifier 3 has a resonator 15 having a columnar shaped Yb:YAG crystal rod 9, a semiconductor laser 12 arranged on a light axis of the rod 9 and which excites both end surfaces with excitation light, a pair of light collection lenses 11 arranged on the light axis of a solid-state laser medium so as to optically opposed to each other and which collects the excitation light to an end surface of the rod 9, and a pair of short wavelength transmission filters 10 transmitting the excitation light and reflecting the amplified ultrashort pulsed light. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、超短パルス光のエネルギーを増幅する再生増幅器、及びこの再生増幅器を備えた超短パルスレーザに関する。   The present invention relates to a regenerative amplifier that amplifies the energy of ultrashort pulsed light and an ultrashort pulse laser including the regenerative amplifier.

従来、パルスの時間幅がフェムト秒（ｆｓ）にあるような超短パルスレーザを出力できるモード同期レーザ、例えば、チタンサファイアレーザが知られている。このチタンサファイアレーザは、比熱効果により高精度なレーザ加工ができる優れた点を有している。
しかしながら、チタンサファイア結晶は、半導体レーザ（以下、ＬＤという）のＣＷ励起により高出力パルスを得るのが難しく、小型の励起光源であるＬＤが利用できない問題がある。 Conventionally, a mode-locked laser, for example, a titanium sapphire laser, that can output an ultrashort pulse laser having a pulse time width of femtosecond (fs) is known. This titanium sapphire laser has an excellent point that high-precision laser processing can be performed by a specific heat effect.
However, titanium sapphire crystals have a problem that it is difficult to obtain a high output pulse by CW excitation of a semiconductor laser (hereinafter referred to as LD), and an LD that is a small excitation light source cannot be used.

これに対して、Ｙｂ：ＹＡＧ結晶は、ＬＤによる高強度励起ができ、量子効率が高い、線幅が広い、蛍光寿命が比較的長いなどの利点がある。また、ＹＡＧ結晶は、固体レーザ結晶の中で熱特性が比較的良く、ＬＤ励起可能な９４０ｎｍ帯に広い吸収帯をもつなどの利点もある。このため、プロセシングや計測など幅広く利用するために、Ｙｂ：ＹＡＧ結晶を用いて、超短パルスレーザを高出力する超短パルスレーザの開発が行われている。   On the other hand, the Yb: YAG crystal has advantages such as high intensity excitation by LD, high quantum efficiency, wide line width, and relatively long fluorescence lifetime. In addition, the YAG crystal has relatively good thermal characteristics among solid laser crystals, and has an advantage of having a wide absorption band in the 940 nm band that can be LD-excited. For this reason, development of ultrashort pulse lasers that output high power ultrashort pulse lasers using Yb: YAG crystals has been carried out for wide use such as processing and measurement.

このような超短パルスレーザとして、発振器からの超短パルス光をパルスストレッチャの回折格子及びレンズでパルス幅を延伸して、再生増幅器のＹｂ：ＹＡＧ結晶ロッドに蓄積されたエネルギーにより超短パルス光のエネルギーを増幅し、パルスコンプレッサでパルス幅を圧縮して平均出力１０．３Ｗ、繰返し周波数１００ｋＨｚ、エネルギー０．１ｍＪ、パルス幅６．２ｐｓの出力を達成しているものがある。上記再生増幅器にはサイズ１ｍｍ×１ｍｍ×（４０〜５０ｍｍ）の角柱形状のＹｂ：ＹＡＧ結晶が用いられてい（例えば、非特許文献１参照）。
レーザ研究、末田敬一、川戸栄、小林喬郎、「高平均出力Ｙｂ：ＹＡＧ超短パルスレーザシステムの開発」、第３４巻第９号ｐｐ６１６−６２０、２００６年９月 As such an ultrashort pulse laser, an ultrashort pulse light from an oscillator is stretched by a diffraction grating and a lens of a pulse stretcher, and the ultrashort pulse light is generated by energy accumulated in a Yb: YAG crystal rod of a regenerative amplifier. And the pulse width is compressed by a pulse compressor to achieve an output of an average output of 10.3 W, a repetition frequency of 100 kHz, an energy of 0.1 mJ, and a pulse width of 6.2 ps. The regenerative amplifier uses a prismatic Yb: YAG crystal having a size of 1 mm × 1 mm × (40 to 50 mm) (see, for example, Non-Patent Document 1).
Laser Research, Keiichi Sueda, Sakae Kawato, Goro Kobayashi, “Development of High Average Output Yb: YAG Ultrashort Pulse Laser System”, Vol. 34, No. 9, pp 616-620, September 2006

しかしながら、上記超短パルスレーザでは、フェムト秒の超短パルス光ビームを出力できないとともに、超短パルス光の再生増幅器での増幅による光学素子等の損傷を防止するために、設計したパルスストレッチャでは超短パルス光のパルス幅を必要なだけ広げられない問題がある。   However, the above ultrashort pulse laser cannot output a femtosecond ultrashort pulsed light beam, and in order to prevent damage to optical elements due to amplification of the ultrashort pulsed light by a regenerative amplifier, There is a problem that the pulse width of the short pulse light cannot be increased as much as necessary.

本発明は、上記従来技術の有する問題点に鑑みて創出されたものであり、固体レーザ媒質としてＹｂ：ＹＡＧ結晶を有する共振器により超短パルス光のエネルギーを増幅できる再生増幅器を提供することを目的とするものである。
また、固体レーザ媒質としてＹｂ：ＹＡＧ結晶を用いて、小型で高出力のフェムト秒の超短パルス光ビームを出力できる超短パルスレーザを提供することを目的とするものである。 The present invention was created in view of the above-described problems of the prior art, and provides a regenerative amplifier capable of amplifying the energy of ultrashort pulse light by a resonator having a Yb: YAG crystal as a solid-state laser medium. It is the purpose.
It is another object of the present invention to provide an ultrashort pulse laser that can output a small, high-power femtosecond ultrashort pulsed light beam using a Yb: YAG crystal as a solid-state laser medium.

本発明は、上記の課題を解決するために、次のようなパルス増幅器を提供する。
すなわち、本発明は、注入される超短パルスレーザのエネルギーを増幅するための再生増幅器であって、鏡面研磨された円柱形状の固体レーザ結晶からなる固体レーザ媒質と、前記固体レーザ媒質の光軸上に配置され、両端面を励起光で励起するための半導体レーザと、前記固体レーザ媒質の光軸上に光学的に対向配置され、前記固体レーザ媒質の端面に励起光を集光させる一対の集光レンズと、前記固体レーザ媒質の光軸に対する垂直面に傾斜して配置され、励起光を透過させるとともに増幅した超短パルス光を反射する一対の短波長透過フィルタとを有する共振器とを備え、前記半導体レーザからの励起光を前記一対の集光レンズで前記固体レーザ媒質の端面に集光して前記固体レーザ媒質を伝播させて励起して、前記固体レーザ媒質に蓄積されたエネルギーにより、注入された超短パルス光を前記共振器で共振増幅し、増幅された超短パルス光をEO素子と偏光制御素子によって出力することを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides the following pulse amplifier.
That is, the present invention is a regenerative amplifier for amplifying the energy of an injected ultrashort pulse laser, which is a solid-state laser medium comprising a mirror-polished cylindrical solid-state laser crystal, and an optical axis of the solid-state laser medium. A pair of semiconductor lasers disposed on the optical surface of the semiconductor laser for exciting both end surfaces with pumping light and optically disposed on the optical axis of the solid-state laser medium to collect the pumping light on the end surface of the solid-state laser medium. A resonator having a condensing lens and a pair of short-wavelength transmission filters that are arranged in a plane inclined with respect to the optical axis of the solid-state laser medium and transmit excitation light and reflect amplified ultrashort pulse light; The pumping light from the semiconductor laser is condensed on the end surface of the solid-state laser medium by the pair of condensing lenses, propagated through the solid-state laser medium and excited, and is applied to the solid-state laser medium. The product energy, the injected ultrashort pulse light resonates amplified by the resonator, the amplified ultrashort pulse light and outputs the EO element and the polarization control element.

上記構成により、半導体レーザからの励起光は、集光レンズにより集光された後に、円柱形状のＹｂ：ＹＡＧ結晶などの固体レーザ結晶の両端面に入射する。Ｙｂ：ＹＡＧ結晶に入射した励起光は側面で全反射してＹｂ：ＹＡＧ結晶内部を伝播してＹｂを励起する。注入された超短パルス光はＹｂ：ＹＡＧ結晶に蓄積されたエネルギーによって増幅されて、共振器の集光レンズ間で反射を繰り返して増幅されると、短波長透過フィルタで反射して共振器外に出力する。   With the above configuration, the excitation light from the semiconductor laser is collected by the condenser lens and then incident on both end faces of a solid-state laser crystal such as a cylindrical Yb: YAG crystal. The excitation light incident on the Yb: YAG crystal is totally reflected on the side surface and propagates inside the Yb: YAG crystal to excite Yb. The injected ultra-short pulse light is amplified by the energy accumulated in the Yb: YAG crystal, and when it is amplified by being repeatedly reflected between the condensing lenses of the resonator, it is reflected by the short wavelength transmission filter and is outside the resonator. Output to.

また、本発明によれば、前記集光レンズの焦点距離、前記固体レーザ媒質の端面上のビーム径、若しくは前記固体レーザ媒質のロッド径の少なくとも１以上を調整することにより、前記励起光が前記固体レーザ媒質内で全反射することを特徴とする再生増幅器を提供するものである。   Further, according to the present invention, the excitation light is adjusted by adjusting at least one of a focal length of the condenser lens, a beam diameter on an end surface of the solid laser medium, or a rod diameter of the solid laser medium. The present invention provides a regenerative amplifier characterized by total reflection in a solid-state laser medium.

また、本発明によれば、上記において、前記固体レーザ媒質がＹｂ：ＹＡＧ結晶、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶、若しくはセラミックＹｂ：ＹＡＧのいずれかであることを特徴する再生増幅器を提供するものである。このセラミックＹｂ：ＹＡＧは、単結晶YAGによりも作製が容易であり、短期間で、安価に入手できる特徴を有する。また、前記固体レーザ媒質がＹｂ添加バナデート結晶であることを特徴するとしても良い。   The present invention also provides a regenerative amplifier characterized in that, in the above, the solid-state laser medium is any one of a Yb: YAG crystal, an Nd: YAG crystal, or a ceramic Yb: YAG. This ceramic Yb: YAG is easy to produce even with single crystal YAG, and has a feature that it can be obtained in a short period of time at a low cost. The solid-state laser medium may be a Yb-added vanadate crystal.

また、上記において、前記Ｙｂ添加バナデート結晶は、Ｙｂ：ＹＶＯ４、Ｙｂ：ＧｄＶＯ４、Ｙｂ：ＬｕＶＯ４のいずれかであることを特徴としても良い。 In the above, the Yb-added vanadate crystal may be any one of Yb: YVO 4 , Yb: GdVO 4 , and Yb: LuVO 4 .

また、本発明は、前記固体レーザ媒質の側面に周設された水冷ユニットを有することを特徴とする再生増幅器を提供するものである。また、前記該円柱形状の固体レーザ媒質の両端面の一部がＹｂ若しくはＮｄのいずれにおいてもドープされていないことを特徴としても良い。さらに、本発明は、フェムト秒の超短パルス光を出力する発振器と、超短パルス光のパルス幅を延伸するパルスストレッチャとを少なくとも備え、前記発振器から出力されたフェムト秒の超短パルス光を、前記パルスストレッチャにより超短パルス光のパルス幅を延伸し、当該延伸された超短パルス光を再生増幅器により再生増幅することを特徴とする超短パルスレーザ出力システムを提供するものである。   The present invention also provides a regenerative amplifier comprising a water cooling unit provided around a side surface of the solid-state laser medium. Further, a part of both end faces of the cylindrical solid laser medium may be not doped with either Yb or Nd. Furthermore, the present invention includes at least an oscillator that outputs femtosecond ultrashort pulse light, and a pulse stretcher that extends the pulse width of the ultrashort pulse light, and includes the femtosecond ultrashort pulse light output from the oscillator. The present invention provides an ultrashort pulse laser output system in which the pulse width of the ultrashort pulse light is extended by the pulse stretcher, and the extended ultrashort pulse light is regenerated and amplified by a regenerative amplifier.

上記構成により、超短パルスレーザは、発振器がフェムト秒の超短パルス光を出力すると、発振器からの超短パルス光はパルスストレッチャによりパルス幅が延伸される。半導体レーザからの励起光が、集光レンズにより集光された後に、固体レーザ媒質の両端面に入射する。固体レーザ媒質に入射した励起光が側面で全反射して固体レーザ媒質内部を伝播してＹｂを励起する。延伸された超短パルス光は固体レーザ媒質に蓄積されたエネルギーによって増幅されて、集光レンズ間で反射を繰り返して増幅されると、超短パルス光はEO素子と偏光学素子によって共振器外に出力される。再生増幅器からの超短パルス光はパルスコンプレッサーによりパルス幅が圧縮される。   With the above configuration, in the ultrashort pulse laser, when the oscillator outputs femtosecond ultrashort pulse light, the pulse width of the ultrashort pulse light from the oscillator is extended by the pulse stretcher. After the excitation light from the semiconductor laser is condensed by the condenser lens, it enters the both end faces of the solid-state laser medium. The excitation light incident on the solid laser medium is totally reflected from the side surface and propagates inside the solid laser medium to excite Yb. The stretched ultrashort pulse light is amplified by the energy accumulated in the solid-state laser medium and is amplified by repeated reflection between the condenser lenses. Is output. The pulse width of the ultrashort pulse light from the regenerative amplifier is compressed by a pulse compressor.

本発明の再生増幅器によれば、上記のような構成および作用により、Ｙｂ：ＹＡＧ結晶などの固体レーザ媒質を有する共振器により超短パルス光のエネルギーを増幅できる。
また、本発明の超短パルスレーザによれば、固体レーザ媒質としてＹｂ：ＹＡＧ結晶を用いて、小型でありながら高出力のフェムト秒の超短パルス光ビームを出力できる。
さらに、本発明により、極めてコヒーレントの高いビームが得ることができ、また、その増幅効率も高く、ビーム強度も高いものである。 According to the regenerative amplifier of the present invention, the energy of ultrashort pulse light can be amplified by a resonator having a solid-state laser medium such as a Yb: YAG crystal by the configuration and operation as described above.
Also, according to the ultrashort pulse laser of the present invention, a Yb: YAG crystal is used as a solid-state laser medium, and a high output femtosecond ultrashort pulse light beam can be output while being small.
Furthermore, according to the present invention, an extremely high coherent beam can be obtained, the amplification efficiency thereof is high, and the beam intensity is also high.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、実施形態は下記に限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The embodiment is not limited to the following.

図１に、本実施形態に係る超短パルスレーザ出力システムの概略構成を示す。
超短パルスレーザ出力システムは、シード発振器１、パルスストレッチャ２、再生増幅器３、及びパルスコンプレッサ４を有している。 FIG. 1 shows a schematic configuration of an ultrashort pulse laser output system according to the present embodiment.
The ultrashort pulse laser output system includes a seed oscillator 1, a pulse stretcher 2, a regenerative amplifier 3, and a pulse compressor 4.

シード発振器１は、広いスペクトル成分のモードロック超短パルス光、例えば、繰返し周波数５０ＭＨｚ、パルス幅約２００ｆｓ、５００ｍＷより大きいパルスを出力する。パルスストレッチャ２は、グレーティング５及び５枚の折り返しミラー（図示せず）を有し、モジュール化されている。グレーティング５の回折により超短パルス光が波長分散されて空間的に広がって延伸される。超短パルス光は、光学系内で波長ごとに光路が異なっている。   The seed oscillator 1 outputs a mode-locked ultrashort pulse light having a wide spectral component, for example, a pulse having a repetition frequency of 50 MHz, a pulse width of about 200 fs, and a pulse larger than 500 mW. The pulse stretcher 2 has a grating 5 and five folding mirrors (not shown), and is modularized. Due to the diffraction of the grating 5, the ultrashort pulse light is wavelength-dispersed and spatially spread and stretched. The ultrashort pulse light has a different optical path for each wavelength in the optical system.

パルスコンプレッサ４は、グレーティング６及び２枚の折り返しミラー（図示せず）を有し、モジュール化されている。グレーティング６の回折により延伸された超短パルス光が圧縮される。上記パルスストレッチャ２は５枚の折り返しミラーの使用、パルスコンプレッサ４は２枚の折り返しミラーの使用によりそれぞれコンパクト化されている。なお、パルスストレッチャ２及びパルスコンプレッサ４は、それぞれがモジュール化されているので、光学定盤に容易に設置できるとともに、光学系を容易に調整できるため、試作段階で予想される光学定盤上で光学系の組換えに柔軟に対応できる。   The pulse compressor 4 has a grating 6 and two folding mirrors (not shown) and is modularized. The ultrashort pulse light stretched by the diffraction of the grating 6 is compressed. The pulse stretcher 2 is made compact by using five folding mirrors, and the pulse compressor 4 is made compact by using two folding mirrors. Since the pulse stretcher 2 and the pulse compressor 4 are each modularized, they can be easily installed on the optical surface plate and the optical system can be easily adjusted. It can flexibly cope with optical system recombination.

図２に、再生増幅器の結晶励起部の概略構成を示す。
結晶励起部７は、固体レーザ媒質である円柱形状のＹｂ：ＹＡＧ結晶ロッド（以下、ロッドと略称する。）９と、ロッド９の両側に光軸に対して垂直面から傾斜して配置された一対の短波長透過フィルタ１０と、ロッド９の両端面から所定距離を置いて光学的に対向配置された一対の集光レンズ１１と、一対の集光レンズ１１の外側に配置され、コリメートした励起光を出射する一対の励起用ＬＤ１２と、ロッド９に周設した水冷ユニット１３とを有している。本実施例では、一対の励起用ＬＤを利用しているが、この励起用ＬＤは片側の１つであっても良い。 FIG. 2 shows a schematic configuration of the crystal excitation part of the regenerative amplifier.
The crystal excitation unit 7 is arranged with a cylindrical Yb: YAG crystal rod (hereinafter abbreviated as a rod) 9 which is a solid-state laser medium, and is inclined on both sides of the rod 9 from a plane perpendicular to the optical axis. A pair of short-wavelength transmission filters 10, a pair of condensing lenses 11 optically arranged at a predetermined distance from both end faces of the rod 9, and collimated excitation disposed outside the pair of condensing lenses 11 A pair of excitation LDs 12 for emitting light and a water cooling unit 13 provided around the rod 9 are provided. In this embodiment, a pair of excitation LDs are used, but this excitation LD may be one on one side.

なお、一対の短波長透過フィルタ１０及び一対の集光レンズ１１から共振器１５が構成されている。また、結晶励起部７を構成するロッド９、一対の短波長透過フィルタ１０、一対の集光レンズ１１、一対の励起用ＬＤ１２、及び水冷ユニット１３は、モジュール化されており、試作段階での光学系の組換えにも容易に対応できるようになっている。   Note that a resonator 15 includes a pair of short wavelength transmission filters 10 and a pair of condenser lenses 11. The rod 9, the pair of short wavelength transmission filters 10, the pair of condensing lenses 11, the pair of excitation LDs 12, and the water cooling unit 13 constituting the crystal excitation unit 7 are modularized, and are optical at the prototype stage. System recombination can be easily handled.

超短パルスレーザは、シード発振器１、パルスストレッチャ２、再生増幅器３、パルスコンプレッサ４、これらの各モジュール間の光路調整用光学系、及びビーム整形用光学系などから構成されている。超短パルスレーザの部材及び部品は、電気機器等のシステム制御用機器を除いて所定サイズ、例えば、１．２ｍ×１．５ｍの光学定盤上に設置されている。   The ultrashort pulse laser includes a seed oscillator 1, a pulse stretcher 2, a regenerative amplifier 3, a pulse compressor 4, an optical path adjusting optical system between these modules, a beam shaping optical system, and the like. The members and parts of the ultrashort pulse laser are installed on an optical surface plate having a predetermined size, for example, 1.2 m × 1.5 m, excluding system control equipment such as electric equipment.

再生増幅器３は、結晶励起部７、共振器１５、EO素子、偏素子であるポッケルスセル、偏光素子であるλ／４板等から構成されており、上記偏光制御素子は共振器１５内への超短パルス光の取り込み、及び増幅超短パルス光の共振器１５外への取り出しを行う。   The regenerative amplifier 3 includes a crystal excitation unit 7, a resonator 15, an EO element, a Pockels cell as a polarization element, a λ / 4 plate as a polarization element, and the polarization control element into the resonator 15. The ultrashort pulse light is taken in and the amplified ultrashort pulse light is taken out of the resonator 15.

上記構成を有する超短パルスレーザにおいて、シード発振器１は、例えば、繰返し周波数５０ＭＨｚ、パルス幅約２００ｆｓ、５００ｍＷより大きい平均パワーのモードロック超短パルス光（シード光パルス）を出力する。パルスストレッチャ２は、シード発振器１からの超短パルス光のパルス幅を約２００ｆｓから約４００ピコ秒（ｐｓ）に延伸してピークパワーを下げる。延伸された超短パルス光が偏光制御素子により共振器１５内に取り込まれる。   In the ultrashort pulse laser having the above configuration, the seed oscillator 1 outputs mode-locked ultrashort pulse light (seed light pulse) having a repetition frequency of 50 MHz, a pulse width of about 200 fs, and an average power larger than 500 mW, for example. The pulse stretcher 2 extends the pulse width of the ultrashort pulse light from the seed oscillator 1 from about 200 fs to about 400 picoseconds (ps) to lower the peak power. The stretched ultrashort pulse light is taken into the resonator 15 by the polarization control element.

一方、一対の励起用ＬＤ１２からのコリメートされた励起光は、集光レンズ１１により集光された後に、ロッド９の両端面から入射して、入射した励起光はロッド９の周側面で全反射してロッド９内部を伝播してＹｂ：ＹＡＧ結晶のＹｂを励起する。励起されてロッド９内で発生した熱は水冷ユニット１３により冷却される。   On the other hand, the collimated excitation light from the pair of excitation LDs 12 is collected by the condenser lens 11 and then incident from both end faces of the rod 9. The incident excitation light is totally reflected by the peripheral side surface of the rod 9. Then, it propagates inside the rod 9 and excites Yb of the Yb: YAG crystal. The heat generated in the rod 9 by being excited is cooled by the water cooling unit 13.

共振器１５内の超短パルス光は、ロッド９に蓄積されたエネルギーによりパルスエネルギーが２０ｎＪ程度から０．１ｍＪ程度に増幅されて、短波長透過フィルタ１０で反射して偏光制御素子により共振器１５外に取り出される。再生増幅器３で超短パルス光は繰返し周波数約１００ＭＨｚから約１００ｋＨｚまでにされ、平均出力が１０Ｗレベルまで増幅される。
そして、パルスコンプレッサ４は、超短パルス光のパルス幅を約４００ｐｓから約２００ｆｓに圧縮して、フェムト秒の超短パルス光ビームを出力できる。 The ultrashort pulse light in the resonator 15 is amplified by the energy accumulated in the rod 9 from about 20 nJ to about 0.1 mJ, reflected by the short wavelength transmission filter 10, and reflected by the polarization control element. It is taken out. In the regenerative amplifier 3, the ultrashort pulse light is made to have a repetition frequency of about 100 MHz to about 100 kHz, and the average output is amplified to the 10 W level.
The pulse compressor 4 can compress the pulse width of the ultrashort pulse light from about 400 ps to about 200 fs and output a femtosecond ultrashort pulsed light beam.

したがって、再生増幅器３は、光学素子等を損傷することなく超短パルス光のエネルギーを増幅することができる。
また、超短パルスレーザは、小型でフェムト秒の超短パルス光ビームを高出力できる。なお、本発明により、超短パルス光ビームの高出力化の効率は、極めて高いものとなる。 Therefore, the regenerative amplifier 3 can amplify the energy of the ultrashort pulse light without damaging the optical element or the like.
In addition, the ultrashort pulse laser is small and can output a femtosecond ultrashort pulse light beam at a high output. According to the present invention, the efficiency of increasing the output of the ultrashort pulse light beam is extremely high.

次に、再生増幅器３の結晶励起部における集光レンズ１１の焦点距離とロッド９の全反射回数等の試験結果について説明する。
なお、励起用ＬＤ１２は、中心波長９４０ｎｍ、最大出力１６０Ｗ、ロッド９は、直径２．０、２．５、３．０ｍｍ、長さ９０ｍｍ、短波長透過フィルターは、波長９４０ｎｍの励起光を透過して、波長１０３０ｎｍの増幅光を反射する。
また、ロッド９の励起状態の均一性を向上させるためには、ロッド９内で励起用ＬＤ１２からの励起光の全反射回数をできるだけ多くすることが望ましい。本発明によれば、全反射回数は６回程度までは容易に行うことができ、極めて高い増幅効率を実現することができる。 Next, test results such as the focal length of the condenser lens 11 and the number of total reflections of the rod 9 in the crystal excitation part of the regenerative amplifier 3 will be described.
The excitation LD 12 has a center wavelength of 940 nm, a maximum output of 160 W, the rod 9 has a diameter of 2.0, 2.5, 3.0 mm, a length of 90 mm, and the short wavelength transmission filter transmits excitation light having a wavelength of 940 nm. Thus, the amplified light having a wavelength of 1030 nm is reflected.
In order to improve the uniformity of the excited state of the rod 9, it is desirable to increase the number of total reflections of excitation light from the excitation LD 12 within the rod 9 as much as possible. According to the present invention, the total number of reflections can be easily performed up to about 6, and extremely high amplification efficiency can be realized.

図３（ａ）に、集光レンズの焦点距離と、ロッドへの励起光の入射角度及びロッド端面上のビーム径との関係を示す。ここで、横軸に集光レンズの焦点距離（単位ｍｍ）、縦軸にビーム径（単位ｍｍ）、入射角度（単位ｄｅｇ．）を示している。
図３（ｂ）に、各直径のロッドにおける集光レンズの焦点距離とロッド内での全反射回数との関係を示している。ここで、横軸に集光レンズの焦点距離（単位ｍｍ）、縦軸に全反射回数を示している。なお、励起用ＬＤの励起光はロッドの入射側と反対側の端面に達すると仮定する。 FIG. 3A shows the relationship between the focal length of the condenser lens, the incident angle of the excitation light to the rod, and the beam diameter on the rod end surface. Here, the horizontal axis indicates the focal length (unit: mm) of the condenser lens, and the vertical axis indicates the beam diameter (unit: mm) and the incident angle (unit: deg.).
FIG. 3B shows the relationship between the focal length of the condensing lens and the total number of reflections in the rod for each diameter rod. Here, the horizontal axis indicates the focal length (unit: mm) of the condenser lens, and the vertical axis indicates the total number of reflections. It is assumed that the excitation light of the excitation LD reaches the end surface opposite to the incident side of the rod.

図３（ａ）に示すように、集光レンズ１１の焦点距離が長くなるにつれて、ロッド９端面上のビーム径が徐々に大きくなり、集光レンズ１１の焦点距離が長くなるにつれて、入射角が徐々に小さくなる。
図３（ｂ）に示すように、長焦点のレンズ例えば、焦点距離１００ｍｍの集光レンズ１１を使用した場合、ロッドでの全反射の回数は２〜４回と少ない。したがって、このような全反射回数でロッド９の励起状態を均一にすることはむずかしい。 As shown in FIG. 3A, the beam diameter on the end face of the rod 9 gradually increases as the focal length of the condenser lens 11 increases, and the incident angle increases as the focal length of the condenser lens 11 increases. Gradually get smaller.
As shown in FIG. 3B, when a long-focus lens, for example, a condensing lens 11 with a focal length of 100 mm is used, the number of total reflections on the rod is as small as 2 to 4 times. Therefore, it is difficult to make the excited state of the rod 9 uniform with the total number of reflections.

一方、比較的短焦点、例えば、焦点距離４０及び５０ｍｍの集光レンズ１１を使用した場合、ロッド９径によって差があるが全反射回数は略６〜１１回と多くなる。これにより、ロッド９内部で、ある程度均一な励起状態にすることができる。   On the other hand, when the condensing lens 11 having a relatively short focal point, for example, a focal length of 40 and 50 mm, is used, the total number of reflections increases to approximately 6 to 11 times although there is a difference depending on the diameter of the rod 9. As a result, a certain degree of uniform excitation can be achieved inside the rod 9.

次に、パルスストレッチャ２及びパルスコンプレッサ４の設計及び製作について具体的に説明する。
なお、パルスストレッチャ２及びパルスコンプレッサ４の光学系を通過した後のパルスの延伸幅及び圧縮幅は、光学系内のグレーティング５，６の単位長さ当たりの構数、入射ビームの波長、グレーティング５，６への入射角度、パルスの波長幅、及びグレーティング５，６、レンズ等の光学素子の配置によって決まる。 Next, the design and manufacture of the pulse stretcher 2 and the pulse compressor 4 will be specifically described.
The stretched width and compressed width of the pulse after passing through the optical system of the pulse stretcher 2 and the pulse compressor 4 are the number of structures per unit length of the gratings 5 and 6 in the optical system, the wavelength of the incident beam, and the grating 5. , 6, the wavelength width of the pulse, and the arrangement of optical elements such as gratings 5, 6 and lenses.

パルスストレッチャ２は、溝数１８００ｇｒ／ｍｍのグレーティング５及び焦点距離０．８ｍのレンズを使用し、グレーティング５間の距離を２．５ｍとすることで、パルス延伸幅約４２０ｐｓとなるように設計、製作した。   The pulse stretcher 2 uses a grating 5 with a groove number of 1800 gr / mm and a lens with a focal length of 0.8 m, and the distance between the gratings 5 is 2.5 m, so that the pulse stretch width is about 420 ps. Produced.

また、パルスコンプレッサ４は、溝数１８００ｇｒ／ｍｍのグレーティング６を使用して、グレーティング６間隔を０．７ｍとすることで、パルス圧縮幅約４２０ｐｓとなるように設計、製作した。   In addition, the pulse compressor 4 was designed and manufactured so that the pulse compression width was about 420 ps by using the grating 6 having a groove number of 1800 gr / mm and setting the gap of the grating 6 to 0.7 m.

次に、再生増幅器３の特性を評価するためのＣＷ発振試験の結果について説明する。
図４に、発振試験した再生増幅器の要部の概略構成を示す。
図４に示す再生増幅器の要部は、結晶励起部７（図２参照）に短波長透過フィルタ１０を透過した波長１０３０ｎｍの超短パルス光を透過させる部分反射ミラー（反射率は８０％）１７と、短波長透過フィルタ１０からの超短パルス光を全反射する全反射ミラー１８とを有している。 Next, the result of the CW oscillation test for evaluating the characteristics of the regenerative amplifier 3 will be described.
FIG. 4 shows a schematic configuration of a main part of a regenerative amplifier subjected to an oscillation test.
The main part of the regenerative amplifier shown in FIG. 4 is a partially reflecting mirror (reflectance is 80%) 17 for transmitting ultrashort pulse light having a wavelength of 1030 nm that has passed through the short wavelength transmission filter 10 to the crystal excitation unit 7 (see FIG. 2). And a total reflection mirror 18 that totally reflects the ultrashort pulse light from the short wavelength transmission filter 10.

図５aに、再生増幅器の共振器によるＣＷ入出力特性を示す。
ここで、横軸に励起パワー（単位Ｗ）、縦軸にレーザパワー（単位Ｗ）を示している。
励起用ＬＤ１２の励起パワーが増大するにつれて、レーザパワーも増大して、励起パワー３２０Ｗでレーザパワーが１６Ｗになっている。したがって、再生増幅器３はパルスストレッチャ２で延伸された超短パルス光を増幅することにより１０Ｗレベルの平均出力にすることも可能となる。
また、図５bには、本発明により得られるレーザプロファイルの説明図を示す。この説明図は、実際に観察されるレーザプロファイルを反映させたものであるが、図示されるように、レーザ強度の高い中心部分から段々にその強度が弱まる外周部分においても、均等な円状の形状となる良好なレーザであることが示されている。図５Cは、図５ｂで示す線にしたがってレーザの断面を捉え、その強度分布を示す模式図である。本発明によるレーザのプロファイルは、高いレーザ強度を有する中心部分から均等にレーザ強度が低下するものであり、強度分布はほぼ正規分布にしたがったものとなる。 FIG. 5a shows the CW input / output characteristics of the regenerative amplifier resonator.
Here, the horizontal axis represents the excitation power (unit W), and the vertical axis represents the laser power (unit W).
As the pumping power of the pumping LD 12 increases, the laser power also increases, and the laser power is 16 W at a pumping power of 320 W. Accordingly, the regenerative amplifier 3 can amplify the ultrashort pulse light stretched by the pulse stretcher 2 to obtain an average output of 10 W level.
FIG. 5b shows an explanatory diagram of a laser profile obtained by the present invention. This explanatory diagram reflects the actually observed laser profile. As shown in the figure, even in the outer peripheral portion where the intensity gradually decreases from the central portion where the laser intensity is high, the circular shape is uniform. It is shown to be a good laser in shape. FIG. 5C is a schematic diagram showing the intensity distribution of a laser cross section taken along the line shown in FIG. 5b. The laser profile according to the present invention is such that the laser intensity is evenly reduced from the central part having a high laser intensity, and the intensity distribution substantially follows a normal distribution.

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものではない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。例えば、上述した実施形態において、共振器１５内と再生増幅器３からパルスコンプレッサ４通過後のレーザ光の取り出し口までとのビーム光路上のミラーは、パルスコンプレッサ４のビーム折り返し用ルーフミラー５０ｍｍ×３０ｍｍを除いて、直径１インチあるいは直径２５ｍｍのミラーに変換可能に設計することもできる。   The preferred embodiments of the present invention have been described above, but the above-described embodiments do not limit the present invention. Those skilled in the art can make various modifications and changes in specific embodiments without departing from the technical idea and technical scope of the present invention. For example, in the embodiment described above, the mirror on the beam optical path in the resonator 15 and from the regenerative amplifier 3 to the laser light extraction port after passing through the pulse compressor 4 is a beam folding roof mirror 50 mm × 30 mm of the pulse compressor 4. In addition to the above, it can be designed to be convertible into a mirror having a diameter of 1 inch or a diameter of 25 mm.

上述した実施形態では、固体レーザ媒質としてＹｂ：ＹＡＧ結晶を用いるようにしたが、これに代えて、Ｙｂ添加バナデート結晶であるＹｂ：ＹＶＯ４、Ｙｂ：ＧｄＶＯ４、Ｙｂ：ＬｕＶＯ４を用いることもできる。 In the above-described embodiment, the Yb: YAG crystal is used as the solid-state laser medium. Instead, Yb: YVO 4 , Yb: GdVO 4 , Yb: LuVO 4 which are Yb-added vanadate crystals may be used instead. it can.

本発明のパルス増幅装置は、レーザ加工装置の光源部分の基礎、レーザ加工システムに搭載する光源として使用できるとともに、ミラー等の光学素子の特性を計測するための評価装置として使用できるため産業上の利用価値が高い。   The pulse amplification device of the present invention can be used as the basis of the light source portion of a laser processing device, as a light source mounted on a laser processing system, and as an evaluation device for measuring the characteristics of optical elements such as mirrors, so that it can be used industrially. High utility value.

本実施形態に係る超短パルスレーザの概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the ultrashort pulse laser which concerns on this embodiment. 再生増幅器の結晶励起部の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the crystal | crystallization excitation part of a regenerative amplifier. （ａ）集光レンズの焦点距離と、Ｙｂ：ＹＡＧ結晶ロッドへの励起光の入射角度及びロッド端面上のビーム径との関係を示す図で、（ｂ）各直径のロッドにおける集光レンズの焦点距離とロッド内での全反射回数との関係を示す図である。(A) The figure which shows the relationship between the focal distance of a condensing lens, the incident angle of the excitation light to a Yb: YAG crystal rod, and the beam diameter on a rod end surface, (b) of the condensing lens in the rod of each diameter It is a figure which shows the relationship between a focal distance and the total reflection frequency in a rod. 発振試験した再生増幅器の結晶励起部の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the crystal | crystallization excitation part of the regenerative amplifier which carried out the oscillation test. （ａ）再生増幅器の共振器によるＣＷ入出力特性を示す図である。（ｂ）レーザプロファイルを示す説明図である。（ｃ）レーザの断面方向における強度分布を示す模式図である。(A) It is a figure which shows the CW input / output characteristic by the resonator of a regenerative amplifier. (B) It is explanatory drawing which shows a laser profile. (C) It is a schematic diagram which shows intensity distribution in the cross-sectional direction of a laser.

符号の説明Explanation of symbols

１ シード発振器
２ パルスストレッチャ
３ 再生増幅器
４ パルスコンプレッサ
９ Ｙｂ：ＹＡＧ結晶ロッド（固体レーザ媒質）
１０ 短波長透過フィルタ
１１ 集光レンズ
１２ 励起用ＬＤ
１３ 水冷ユニット
１５ 共振器

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Seed oscillator 2 Pulse stretcher 3 Regenerative amplifier 4 Pulse compressor 9 Yb: YAG crystal rod (solid-state laser medium)
10 Short wavelength transmission filter 11 Condensing lens 12 LD for excitation
13 Water cooling unit 15 Resonator

Claims (9)

注入される超短パルスレーザのエネルギーを増幅するための再生増幅器であって、
鏡面研磨された該円柱形状の固体レーザ結晶からなる固体レーザ媒質と、
前記固体レーザ媒質の光軸上に配置され、両端面を励起光で励起するための半導体レーザと、
前記固体レーザ媒質の光軸上に光学的に対向配置され、前記固体レーザ媒質の端面に励起光を集光させる一対の集光レンズと、前記固体レーザ媒質の光軸に対する垂直面に傾斜して配置され、励起光を透過させるとともに増幅した超短パルス光を反射する一対の短波長透過フィルタとを有する共振器とを備え、
前記半導体レーザからの励起光を前記一対の集光レンズで前記固体レーザ媒質の端面に集光して前記固体レーザ媒質を伝播させて励起して、前記固体レーザ媒質に蓄積されたエネルギーにより、注入された超短パルス光を前記共振器で共振増幅し、増幅された超短パルス光をEO素子と偏光制御素子によって出力することを特徴とする再生増幅器。 A regenerative amplifier for amplifying the energy of an injected ultrashort pulse laser,
A solid-state laser medium comprising the cylindrical solid-state laser crystal that is mirror-polished;
A semiconductor laser disposed on the optical axis of the solid-state laser medium for exciting both end faces with excitation light;
A pair of condensing lenses optically arranged on the optical axis of the solid-state laser medium and condensing excitation light on the end surface of the solid-state laser medium, and inclined to a plane perpendicular to the optical axis of the solid-state laser medium A resonator having a pair of short wavelength transmission filters arranged and transmitting excitation light and reflecting amplified ultrashort pulse light;
The pumping light from the semiconductor laser is condensed on the end face of the solid-state laser medium by the pair of condensing lenses, propagated through the solid-state laser medium, and excited by the energy accumulated in the solid-state laser medium. A regenerative amplifier characterized in that the amplified ultrashort pulse light is resonantly amplified by the resonator, and the amplified ultrashort pulse light is output by an EO element and a polarization control element. 前記集光レンズの焦点距離、前記固体レーザ媒質の端面上のビーム径、若しくは前記固体レーザ媒質のロッド径の少なくとも１以上を調整することにより、前記励起光が前記固体レーザ媒質内で全反射することを特徴とする請求項１に記載の再生増幅器。   The excitation light is totally reflected in the solid-state laser medium by adjusting at least one of the focal length of the condenser lens, the beam diameter on the end surface of the solid-state laser medium, or the rod diameter of the solid-state laser medium. The regenerative amplifier according to claim 1. 前記固体レーザ媒質がＹｂ：ＹＡＧ結晶、若しくはセラミックＹｂ：ＹＡＧのいずれかであることを特徴する請求項１又は２に記載の再生増幅器。   3. The regenerative amplifier according to claim 1, wherein the solid-state laser medium is one of Yb: YAG crystal or ceramic Yb: YAG. 前記固体レーザ媒質がＮｄ：ＹＡＧ結晶であることを特徴する請求項１又は２に記載の再生増幅器。   The regenerative amplifier according to claim 1 or 2, wherein the solid-state laser medium is an Nd: YAG crystal. 前記固体レーザ媒質がＹｂ添加バナデート結晶であることを特徴する請求項１又は２に記載の再生増幅器。   The regenerative amplifier according to claim 1 or 2, wherein the solid-state laser medium is a Yb-added vanadate crystal. 前記Ｙｂ添加バナデート結晶は、Ｙｂ：ＹＶＯ４、Ｙｂ：ＧｄＶＯ４、Ｙｂ：ＬｕＶＯ４のいずれかであることを特徴とする請求項４に記載の再生増幅器。 5. The regenerative amplifier according to claim 4, wherein the Yb-added vanadate crystal is any one of Yb: YVO 4 , Yb: GdVO 4 , and Yb: LuVO 4 . 前記固体レーザ媒質の側面に周設された水冷ユニットを有することを特徴とする請求項１乃至６に記載の再生増幅器。   7. The regenerative amplifier according to claim 1, further comprising a water cooling unit provided around a side surface of the solid laser medium. 前記該円柱形状の固体レーザ媒質の両端面の一部がＹｂ若しくはＮｄのいずれにおいてもドープされていないことを特徴とする請求項１乃至７に記載の再生増幅器。   8. The regenerative amplifier according to claim 1, wherein a part of both end faces of the cylindrical solid laser medium is not doped with either Yb or Nd. 請求項１乃至７記載の再生増幅器と、
フェムト秒の超短パルス光を出力する発振器と、
超短パルス光のパルス幅を延伸するパルスストレッチャとを少なくとも備え、
前記発振器から出力されたフェムト秒の超短パルス光を、前記パルスストレッチャにより超短パルス光のパルス幅を延伸し、
当該延伸された超短パルス光を再生増幅器により再生増幅することを特徴とする超短パルスレーザ出力システム。 Regenerative amplifier according to claims 1 to 7,
An oscillator that outputs femtosecond ultra-short pulse light;
At least a pulse stretcher that extends the pulse width of the ultrashort pulse light,
Femtosecond ultrashort pulse light output from the oscillator is stretched by the pulse stretcher, and the pulse width of the ultrashort pulse light is extended.
An ultrashort pulse laser output system, wherein the stretched ultrashort pulse light is regenerated and amplified by a regenerative amplifier.
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