JP2008515174A - レーザー光用多重反射遅延線部材ならびにそのような遅延線部材を含む共振器及び短パルスレーザー装置 - Google Patents

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Abstract

予め定められた光学長でレーザー共振器（１２）の寸法を低下させるためにレーザー光の多重反射のためのミラー要素を含む、レーザー光（１５）のための多重反射遅延線部材（１８）であって、ミラー要素が、１方向に延在したガラス要素（２１）の、２個の、対向して配置された、長手方向に延在している研磨面（Ｓ２、Ｓ３）から構成されており、さらに、研磨されたレーザー光入射面（Ｓ１）ならびに研磨されたレーザー光出射面（Ｓ４）を有しており、そこで、ガラス要素（２１）のミラー要素面（Ｓ２、Ｓ３）は、入射面（Ｓ１）と出射面（Ｓ４）の間に位置しており、かつ、レーザー光（１５）とともに、全反射の臨界角（θｃ）に少なくとも等しい角度（θ１）を形成し、一方、入射面（Ｓ１）と出射面（Ｓ４）は、ガラス要素のレーザー光（１５）とともに、全反射の臨界角（θｃ）よりも小さい角度（θ２）を形成している多重反射遅延線部材（１８）。

Description

本発明は、所定の光学長でレーザー共振器の寸法を低下させるためにレーザー光の多重反射用のミラー要素を含む、レーザー光のための多重反射遅延線部材に関する。
さらに、本発明は、そのような遅延線部材を含む共振器や短パルスレーザー装置に関する。
近年において、短パルスレーザー装置に対する興味がますます増大している。なぜならば、短パルスレーザー装置は、パルスの最大出力が＞１ＭＷのときにフェムト秒（ｆｓ）の範囲の極めて短いパルス幅を示す観点から、研究や産業上においていろいろなアプリケーションを可能としているからである。ｆｓの範囲においてパルス幅を有するこのタイプの短パルスレーザー装置は、したがって、電磁放射線と物体の間における時間分解型の相互反応の調査において使用することができる。他方において、材料処理の小型化が増大すると、精確な手法でかつ高速度で超微細な構造体を製造することが可能となる。フェムト秒レーザー装置は高出力パルスでもって駆動され、また、この目的のため、高度の繰り返し周波数が理想的である。これに関連して、１０ｆｓのオーダーのパルス持続ならびに例えば２５〜３０ｎＪのエネルギーを有するレーザーパルスを発生させるようなレーザー装置があることが望ましい。また、しばしばのことであるが、一般的なチタンサファイアｆｓ−レーザーの場合、比較的に遅いパルス反復速度（例えば、８０ＭＨｚの代わりに、１０ＭＨｚのオーダー）が追求されている。なぜならば、これらのレーザーは、材料処理に関して所定の値であるより高い最大パルス出力あるいはより高いパルスエネルギーを可能とするであろうとみなされているからである。また、このような比較的に低い反復速度は、レーザー共振器における比較的に長いパルス循環時間を包含する。しかしながら、パルス循環時間が長いと、ただ計算によるものであるが、共振器の長さがそれに対応して増大する結果となる。
基本的に、レーザー共振器は、所定の繰り返し周波数ｆｒを達成するため、所定の光学長Ｌｒ＝ｃ０／２ｆｒ（ここで、ｃ０＝レーザー光の速度）を有していなければならないということができる。フェムト秒オシレータにおけるこの光学長Ｌｒは、原則として、空気からなる伝播経路によって決定されるものである。共振器の寸法を低下させるため、すでに提案されているものは、いわゆる多重反射望遠鏡において、対向して配置されたミラー上で反射を反復することによってレーザー光のパルス循環時間を増加させる方法である（例えば、国際公開第２００３／０９８３１３４号パンフレットを参照）。
また、レーザー装置、特に短パルスレーザー装置の構造において、コンパクトで小型の寸法を達成するために任意の特別な短縮されたパルス反復速度を伴わないことについて関心が寄せられている。なお、ミラー要素における多重反射の原則は、ここでももちろん実行されている。
本発明の目的は、冒頭に記載したような多重反射遅延線部材と、そのような遅延線部材を含み、特に小型でコンパクトなデザインを達成可能な、短パルスレーザー装置を提供することにある。
本発明は、常用の短パルスレーザー装置において一般的な空気伝播経路が使用されないならば、共振器の物理的な長さを短縮することができるという知見に基づいている。ここで、光学長と物理的な長さはほぼ同一であるが、もしも空気よりも高い屈折率を有する媒体内での伝播が使用されるならば、その場合には、この屈折率に反比例した物理的な長さを示すこと、すなわち、それが低下すること、が実現可能となるであろう。さらに、本発明は、上述のような媒体を使用し、その媒体と環境（空気）の間に界面を存在させ、よって屈折率が異なるようにした場合、この界面に対してレーザー光が適当な角度で入射したとき、レーザー光の全反射が可能となるであろうという原理に基づいている。なお、界面に対する全反射の臨界角は、その２つの屈折率の指数に依存しているということは知られている。
よって、本発明によるところの、冒頭に記載したような種類の多重反射遅延線部材は、そのミラー要素が、１方向に延在したガラス要素、好ましくはガラスロッドの、２個の、対向して配置された、長手方向に延在している研磨面から構成されていること、及び研磨されたレーザー光入射面ならびに研磨されたレーザー光出射面をさらに有していること、ガラス要素のミラー要素面は、入射面と出射面の間に位置しており、レーザー光とともに、全反射の臨界角に少なくとも等しい角度を形成しており、一方、入射面及び出射面は、レーザー光とともに、全反射の臨界角よりも小さい角度を形成していることを特徴とする。
このような形態とした場合、上述の目的を有利な手法で具現することができ、また、空気伝播経路に比較して物理的長さの低下を達成することができ、その低下は、ガラスの屈折率ｎによって与えられる指数１／ｎに対応し、さらには、因数１／ｓｉｎθ１（ここで、角度θ１は、レーザ光がそれぞれガラス要素／環境界面、すなわち、ガラス要素の平面研磨面に入射する角度である）に対応する。したがって、レーザー光は、ガラス要素内においてその多重反射に従ってかつガラス要素のガラス材料の屈折率に従って「遅延」せしめられる。ここで、例えば所定の長さ及び厚さならびに所定の屈折率を有するガラスロッドの場合、入射角θ１の関数として、大きさがほぼ２倍の光学的な経路の長さが得られるであろう。これは、遅延線部材を通って移動する場合にレーザー光のそれぞれの一時的な遅延、例えば約７０ｍｍの長さをもったガラスロッドで４０ｎｓのオーダーに相当する。換言すると、空気中における直線的な伝播経路は、同一の遅延あるいは同一の光路長を達成するため、存在している遅延線部材の長さのほぼ２倍とならなければならないであろう。１個の遅延線部材のみが提供されるが、レーザー共振器もしくはレーザー装置には複数個の遅延線部材が取り付けられる場合を除いて、共振器の長さあるいはレーザー装置の寸法をかなり低下させることができる。
製造上の理由から、また、全反射における一様な条件を保証するため、ガラス要素の研磨されたミラー要素面が互いに平行であるように構成することが好ましい。また、好ましくは、ガラス要素の研磨されたミラー要素面は、ガラス要素におけるレーザー光の平均波長の少なくとも３０倍の相対的な間隔を有するであろう。このようにすることで、ガラス要素における全反射の数を最適化することが可能となる。
対称性の理由から、ガラス要素のレーザー光入射面とレーザー光出射面が互いに平行であると、さらに有利なものとなるであろう。このようにすることによって、ガラス要素によって形成される遅延線部材あるいは成分を、どちらかの側から同じように操作することができる。
パルス幅がピコ秒及びフェムト秒である超短レーザーパルスは、周波数の範囲において広いスペクトルを有している。光学的オクターブの全域（例えば、５００〜１０００ｎｍ）にわたってスペクトルを有するパルスが立証されており、また、約２００ｎｍ（平均波長８００ｎｍの周囲に集中）のスペクトル波長をもったパルスをもたらす短パルスレーザー装置は、すでに商業的に入手可能である。時間範囲の短パルスを形成するため、広帯域信号の周波数成分は同時発生的でなければならない。屈折率の波長依存性（これはまた、「分散」ともよばれる）に原因して、厚い光学媒体を進行するとき、異なるスペクトル成分は、異なる形で遅延されるであろう。この効果を定量的に説明するため、以下においては簡単にＧＤＤと呼ぶけれども、群遅延分散（ＧＤＤ）が導入された。これは、角振動数後のスペクトル相の二次導関数である。もしも光学系において得られるＧＤＤがゼロに等しい場合、レーザパルスの幅は、その光学系を通って進行するときに変化しないまま保持されるであろう。しかしながら、光学系の全体的なＧＤＤ≠０である場合、光学系の出口におけるパルス幅は、その入口におけるものとは別の値となるであろう。このパルス変化に対抗するため、光学系におけるＧＤＤを補償しなければならない、すなわち、同一の値であるが符号が反対のＧＤＤを導入しなければならない。このような分散の補償を実現するため、いろいろな光学成分が開発された：プリズム対、格子対及び分散ミラー（例えば、米国特許第５，７３４，５０３号を参照）。これらの成分は帯域幅が広く、ユーザーフレンドリーであり、かつコンパクトであるため、科学的用途及び産業的用途の両方において分散性多層ミラー（通常、チャープドミラー、ＣＭと呼ばれる）が使用の程度を増加させながら使用されている。
現在、本発明の光学遅延成分は、レーザーパルスに非常に有効な遅延を可能としているばかりでなく、本発明のさらなる開発により、ＧＤＤの精確かつ簡単な制御の実現を可能としている。ここでは、ガラスの伝播経路によって導入される群遅延分散を有利な方法で、特に、全体的もしくは部分的に補償するか、さもなければ過度に補償することを実現可能である。
すでに判明していることであるが、多層干渉フィルターを使用してＧＤＤを制御することができる（Gires F, Tournois P (1964): Interferometre utilisable pour la compensation d'impulsions lumineuses modulees en frequence. C.R. Hebd. Acad. Sci. 258: 6112-6155を参照）。ＣＭミラーにおける反射の間、異なる波長成分をもったレーザー光を、反射が行われる前のミラーの複数の層に異なる形で深部まで侵入させる。したがって、異なる周波数成分が、それぞれの侵入深さの関数として、異なる長時間にわたって遅延せしめられる。多くの光学成分は正のＧＤＤを有しているので、ＧＤＤの補償は、多くの場合、負のＧＤＤを必要とするであろう。負のＧＤＤを得るためには、ＣＭミラーの上方の層において短波の波束を反射させ、一方、長波の部分を、反射が行われる前のＣＭミラーの中により深く侵入させる。この方法で、長波の周波数成分は、短波の周波数成分に関連した時間で遅延せしめられる。これは、所望とする負のＧＤＤを導くであろう。しかしながら、ＧＤＤの制御は、チャープドミラー（すなわち、ＣＭミラー）の補助があって実行可能であるばかりでなく、共振器のような多層フィルター（共振分散ミラー）を使用してもまた実行可能である。このことに関しては、先に参照したところのGires F, Tournois Pの文献や、米国特許第６，２２２，６７３号及び同第６，１５４，３１８号ならびに国際公開第０１／０５０００号パンフレットを参照されたい。これらの技術においてフィルターと相互作用する光（ビーム）の群遅延の周波数依存性は、多層構造体における種々の波束の蓄積時間を通じてコントロールされる。
分散性多層ミラーにおいて、異なる設計方法及び形態がすでに提案されている。分散性多層の層厚を計算するための疑似分析方法（例えば、Matuschek N, Kartner FX, Keller U (1999): Analytical design of double-chirped mirrors with custom-tailored dispersion characteristics. JEEE J. Quantum Electron. 35: 129-137; Szipocs R, Kohazi-Kis A (1997): Theory and design of chirped dielectric laser mirrors. Appl. Phys. B65: 115-135; Tempea G, Krausz F, Spielmann Ch, Ferencz K (1998): Dispersion control over 150 THz with chirped dielectric mirrors. JEEE JSTQE 4: 193-196; 米国特許第６，４６２，８７８号を参照）では、４００ｎｍまで（７８０又は８００ｎｍの平均波長で）の帯域幅を有するＣＭミラーの設計が可能となっている。ミラー対（Laude V. 及び Tournois P. (1999): Chirped-mirror-pairs for ultra-broadband dispersion control. In: Conference on Lasers and Electro-optics (CLEO/US), OSA Technical Digest Series, Optical Society of America, Washington, D.C., paper CtuR4 ならびに米国特許第６，５９０，９２５号を参照）と、楔形のフロント層をもったＣＭミラー（Matuschek N, Gallmann L, Sutter DH, Steinmeyer G, Keller U (2000): Back-side-coated chirped mirrors with ultra-smooth broadband dispersion characteristics. Appl. Phys. B 71: 509-522; Tempea G, Yakovlev V, Bakovic B, Krausz F, Ferencz K (2001): Tilted-front-interface chirped mirrors. JOSA B 18: 1747-1750 ならびに国際公開第０２／０６８９９号パンフレット）の両方では、光学オクターブの全域、例えば５００ｎｍ〜１０００ｎｍの間、についてのＧＤＤ制御が実行可能となっている。ちなみに、このようにした開発されたもののすべてについて言えることであるが、これらのものが目指していることは、ＣＭミラーあるいは遅延線部材を用いて形成される共振器のコンパクト性を解決することを行わないで、分散性ミラーの帯域幅を拡張することである。しかしながら、産業上のアプリケーションや医学上のアプリケーションの数が増大しているので、極めてコンパクトで安定なフェムト秒の提供源を開発することが求められている。
ところで、集積化分散遅延線（ＩＤＤＬ）とも呼ばれる本発明の遅延線部材は、ＧＤＤ制御のためにＣＭミラーあるいはプリズム対を使用したオシレータにおけるよりも実質的によりコンパクトであるレーザー源アセンブリと組み合わさって、ＧＤＤの精確な制御を可能とした。
そのために、本発明による遅延線部材のなかのさらなる開発で特に有利なことは、ガラス要素が、研磨されたミラー要素の表面の外側で、反射されたレーザー光について所定の群遅延分散（ＧＤＤ）を引き起こす多層コーティングを備えているということを特徴としている。したがって、本発明による光学遅延線部材あるいは成分は、ガラス要素の反射面（界面）で、それぞれの希望に応じて自体公知な方法で群遅延分散を導入する多層干渉フィルターを装備している。原則として、例えばレーザー結晶、半透明ミラー等の通常の成分を含むレーザーシステムは、正のＧＤＤを有しているであろう。また、このような場合における補償を可能とするため、本発明の遅延線部材のガラス要素の研磨された表面のコーティングは、波長を異にするレーザー光を異なる長期間にわたって蓄積することによって負のＧＤＤを引き起こすべきである。しかしながら、そのようなことを実施する場合において、ガラス要素の反射中の研磨面の反射性は、分散性ミラーあるいはまた共振分散性ミラーとは反対に変化することがない（国際公開第０１／０５０００号パンフレット）。これらの表面では、上記した全反射によって反射性の向上がもたらされ、また、コーティングによってもたらされる多層干渉フィルターは、単に所定のＧＤＤを形成するために働くだけである。また、このことは、例えば米国特許第６，２５６，４３４号において提案されている技法と矛盾している。なお、米国特許第６，２５６，４３４号によると、レーザー光が結晶内に閉じ込められ、さらには負のＧＤＤが生成せしめられるように結晶上に多層ミラーを提供するため、レーザー結晶の２つの側面に多層コーティングが設けられている。しかしながら、本発明による遅延線部材の場合、そのコーティングは、所定のＧＤＤを導入するためにのみ働いており、一方、高い反射性は、全反射の補助を通じて得られ、また、引き続いて、光学的に長い遅延線に関してコンパクトな構造を達成するため、多層コーティングの補助によって比較してとりわけ高いＧＤＤ値を導入することを実行可能である。このことに関しては、以下において具体的に例示する態様を参照して、より明確となるように立証するであろう。
上述のコーティングを使用すると、本発明の遅延線部材に一定の、あるいは周波数依存性のＧＤＤを導入することが可能となる。とりわけ、導入されたＧＤＤを負にすることが可能であり、その際、過補償の意味では、システムのその他の部分から正のＧＤＤも補償するため、その絶対値は、さらに、コーティングを有しないガラス要素におけるレーザー光の全経路長の−正の−ＧＤＤよりも大である。しかしながら、本発明の遅延線部材のＧＤＤを精確に補償しかつ、したがって、群遅延分散に関して外面的には中性の遅延線成分を得るため、ＧＤＤの絶対値がガラス要素における経路長の正のＧＤＤに実質的に精確に等しくなるように、負のＧＤＤを決定することもまたもちろん可能である。ちなみに、そのことが特定のアプリケーションに有用であると考えられるならば、コーティングによって導入される負のＧＤＤの絶対値が全ガラス経路の正のＧＤＤよりも小とすることもまたもちろん想到可能である。
ガラス要素は、もしも高品質の要件が満足されるならば、石英ガラス（溶融シリカ）から有利に形成することができ、また、ＢＫ７ガラス（この名前で公知なホウ素クラウンガラス）又はＣａＦ２ガラス（フッ化カルシウムガラス）から形成されていてもよい。コンパクト性や堅牢性がレーザー装置のアプリケーションに関連があるならば、ＢＫ７ガラスが有利であり、また、ＣａＦ２ガラスは、その低い屈折率が際立っており、与えられた分散コーティングについて、全遅延線の比較的に高い総分散を可能とする。
ガラス要素のレーザー光の入射面及び出射面は、好ましくは、レーザー光とともに、自体公知なブルースター角を形成する。しかしながら、それらの入射面及び出射面は、任意のその他の公知な反射防止コーティングを備えていてもよい。このようにすることによって、これらの表面において不所望で効率を低下させる反射が発生するのを防止することを実現可能であろう。
ガラス要素の研磨されたミラー面に設けられた多層コーティングは、例えば、ＳｉＯ２及びＴｉＯ２層を用いて形成することができ、さもなければ、ＳｉＯ２及びＴａ２Ｏ５層を用いて形成することができる。これらの材料は、特に多光子顕微鏡、テラヘルツ発生、分光法におけるアプリケーションの場合に、安定なレーザー光の発生に関して有利となり、但し、材料の加工もまた可能である。また、好都合なコーティング技法であるならば、ＳｉＯ２及びＮｂ２Ｏ５層もまた利点を奏することができる。
本発明による遅延線部材は、短パルスレーザー発生用レーザー共振器及び短パルスレーザー装置において有利に使用することができ、また、その際、そのような遅延線部材又は遅延成分のいくつかを使用するのが特に有利となるであろう。なぜなら、これらの遅延線部材は、共振器及びレーザー装置において、特にコンパクトな構造と比較して極めて小さな寸法を可能とするであろうからである。
以下において、好ましい例示的な形態について、かつ図面を参照してより詳細に本発明を説明することとする。なお、本発明は、下記の形態に限定されるものではない。
図１は、自体公知であり、かつ、例えば、短パルスを発生させるために自体公知なカー（Kerr）レンズモードロッキングの原理を実行している常用の短パルスレーザー装置１１を図示している。
図１のレーザー装置１１は、ポンプレーザー１３、例えばアルゴンレーザー光が供給される共振器１２を含んでいる。図１では、簡略化のため及び従来技術に属するため、ポンプレーザーそのもの、例えばアルゴンレーザーが省略されている。
ポンプレーザー１３は、レンズＬ１及び二色性ミラーＭ１を通過した後、本例ではチタン：サファイア（Ｔｉ：Ｓ）固体レーザー結晶であるレーザー結晶１４を励起する。二色性ミラーＭ１は、ポンプレーザー１３に関して透明であるが、Ｔｉ：Ｓレーザー光１５に関しては高い反射性を有している。その後、レーザー光１５、すなわち、共振器のビームがレーザーミラーＭ２に衝突し、レーザーミラーＭ２によってレーザーミラーＭ３に反射される。さらに、レーザーミラーＭ３がレーザー光をレーザーミラーＭ４に反射し、また、レーザー光１５は、このレーザーミラーＭ４から、レーザーミラーＭ３、Ｍ２、そしてＭ１に戻され、再びレーザー結晶１４を通過する。この共振器部分は、ミラーＭ２、Ｍ３及びＭ４を含むものであって、ここで図示した例ではＺ形であるところの第１の共振器アーム１６を形成する。
次いで、レーザー光１５は、ミラーＭ１からレーザーミラーＭ５に反射され、さらにそこから、レーザーミラーＭ６ならびに別のレーザーミラーＭ７に反射され、したがって、同じようにＺ形の形態に折り曲げられた第２の共振器アーム１７を形成する。レーザー光１５は、レーザーミラーＭ７から、図１では模式的にのみ示されている遅延線部材１８に到達し、また、そこから、外側結合器（アウトカップラー）として機能する末端ミラーＯＣに到達する。レーザー光１５の一部は、外側結合性の末端ミラーＯＣを経た後、補償の選択を行うとともにカップリングアウトを実施する。補償の選択では、分散補償に関して補償プレートレットＣＰならびにミラー（図示せず）ができ、レーザー共振器１２の方向において不所望な反射が発生しないであろうというがわかる。
レーザー結晶１４は、平面で平行な物体であり、光学的に非線形であり、かつカー要素を形成する。カー要素は、レーザー光１５の磁界の強さがより高いときにより高い有効光学厚さを有するであろうが、もしもレーザー光の磁界の強さあるいは強度が低下したとすると、有効光学厚さが低下するであろう。自体公知であるところのこのカー効果は、レーザー光１５の自己収束のために用いられるものであり、すなわち、レーザー光１５のための収束レンズがこのレーザー結晶１４によって形成される。さらに、自体公知の方法で、例えば開口（アパーチャー）の補助によってモードロッキングを具現することができ（例えば、オーストリア特許第４０５９９２号を参照）、さらにまた、末端ミラーの一つ、例えばＭ４を飽和可能なブラグ反射器として設計し、よってそれをモードロッキングとして使用することを想到することができる。
ミラーＭ１、Ｍ２、…、Ｍ７は、薄膜技術によって具現してもよい、すなわち、これらのミラーは、それぞれ、大きなスペクトル帯域幅を有する超短レーザーパルスの反射中にそれらの機能を満足させる複数個の層から構成されている。反射が行われる前、それぞれのミラーの複数個の層の深くに、いろいろな波長成分をもったレーザー光１５が異なる形で侵入せしめられる。この結果、それぞれのミラーについていろいろな波長成分が異なる形で長期にわたって遅延され、短波成分はさらに外側に向かって（すなわち、表面に向かって）反射され、一方、長波の部分は、ミラーの内部においてより深い方へと反射される。これによって、長波の部分は、短波の成分に関しての時間が遅延せしめられる。したがって、分散遅延は、タイムドメインが特に短い（好ましくは、１０フェムト秒もしくはそれ以下の範囲の）パルスが広い周波数スペクトルを有するような公知な形でもたらされる。このことは、レーザー光１５の異なる周波数成分はレーザー結晶１４において異なる屈折率を「見る」こと、すなわち、レーザー結晶１４の光学的厚さは、異なる周波数成分に関して異なる形で大きく、また、そのために、レーザー結晶１４内を進行するとき、異なる周波数成分は異なる形で遅延せしめられるという事実に起因している。この影響は、薄膜ミラーＭ１、Ｍ２、…、Ｍ７においていわゆる分散補償を行うことによって克服することができる。
従来において記載されてきた事項は、モードロッキングを備えた短パルスレーザーの構造である。この構造は自体常用である（例えば、国際公開第０３／０９８３１４号パンフレットを参照）ので、それについての詳細な説明は不必要であると考える。
すでに上述したように、レーザーパルスの一部は、操作中、レーザー光１５のそれぞれの循環のところでアウトカップラー、すなわち、末端ミラーＯＣの補助によってカップリングアウトせしめられる。形成された共振器の寸法がより小さい場合において所望とする循環時間及びしたがって繰り返し速度を得るため、遅延線部材１８の配置によってレーザー共振器１２の「長さ」、すなわち、光学長が増加せしめられる。
それを行う場合、短波レーザー装置を用いる場合と異なる方法であるが、多重反射がもたらされる。なお、短波レーザー装置は、公知な方法の場合、遅延部材用のテレスコープを備えている（国際公開第０３／０９８３１４号パンフレット）。本発明は、以下に図２及び図３を参照して説明するように、全反射の効果を利用している。なお、図２及び図３は、遅延線部材１８の、少なくとも現在特に好ましい形態を示したものである。
光ビーム（レーザー光）が光学的により厚い媒体を通過して光学的により薄い媒体に達する場合、それによって傾斜したそのレーザー光の入射部において全反射が発生するであろう。全反射は、レーザー光とレーザー結晶の間の相互作用の長さを増大させ、高められたビーム品質を得るためにレーザー装置においてすでに使用されているものである（米国特許第６，６５８，０３６号及び米国特許出願公開第２００４／００６２２８４号公報を参照）。
それぞれ屈折率ｎｉ及びｎｔを有する２つの媒体の間の界面において全反射が発生するときの最小角は、臨界角θｃと呼ばれており、次式：
θｃ＝アークサイン（ｎｔ／ｎｉ）
によって表される。レーザー光１５は、ガラス要素２１、例えばガラスロッド又はガラスプレートレットに傾いた入射面Ｓ１（図２を参照）を介して、全反射の故にガラス要素２１の−好ましくは平行の−表面Ｓ２、Ｓ３に関して角度θ１＞θｃを形成するように結合するものである。レーザー光１５は、任意のさらなる全反射を伴うことなく出現するように、それによって傾斜した入射面Ｓ４にθ２＜θcritの角度で衝突するまで、ガラス要素２１内を伝播するであろう。従って、レーザー光１５は、ガラス要素２１の物理的な長さよりもファクター１／ｓｉｎ（θ１）だけ大きい光学長Ｌ＝ａ／ｓｉｎ（θ１）にわたって伝播する。
すでに上記し、かつ図３Ａにおいて断面で示すように、ガラス要素２１として、図３に示したガラスロッドの代わりに、例えばプレートレットのような僅かに異なる形状をもったガラス要素ももちろん使用することができる。この場合に、線状もしくは矩形の形状よりもむしろ弓状の形状をもったガラス要素２１の横方向の表面（狭い側面で）を形成することも可能であり、また、他方において、図３に断面で示したガラスロッドの形をしたガラス要素２１は、外側に向かって湾曲した横方向の表面を有していてもよい。
先に指摘したように、レーザー共振器は、所定の繰り返し周波数ｆｒを得るため、所定の光学長Ｌｒ＝ｃ０／（２ｆｒ）を有しなければならない。今、共振器の物理的な長さは、遅延線部材１８が空気の経路から構成されていないけれどもガラス要素２１によって形成されているときに光学長及び物理的長さが事実上同一である空気伝播路を有する共振器と比較して、約１．４５（現用のガラスの屈折率に相当）のファクターで低下させることができる。この物理的な長さは、レーザー光１５はガラスロッド２１に沿って真っ直ぐに伝播しないけれども、図２に模式的に示されているように、全反射の結果として表面Ｓ２、Ｓ３に、及びそれらの間から、反射されるので、さらに１／ｓｉｎθ１のファクターに従って低下される。
このような遅延線部材１８を小型の短パルスレーザーオシレータ（特に、フェムト秒レーザーオシレータ）を構成するために特に有利な手法で使用することを可能ならしめるため、負の群遅延分散（ＧＤＤ）を含ませ、残りのレーザー成分（レーザー結晶１４、半透明ミラーＭ１、ＯＣ、その他）の正のＧＤＤを補償すべきである。しかしながら、光学ガラスは、短パルスレーザーの大半の波長において正のＧＤＤを導入するであろう。例えば、現用の光学ガラスの大半は、Ｔｉ：サファイアレーザの平均波長が８００ｎｍであるとき、３０〜５０ｆｓ２／ｍｍのＧＤＤを導入するであろう。ここで、図２及び図３に示した光学的遅延線部材１８、すなわち、ガラス要素２１は、多重干渉フィルター、すなわち、多層コーティングＢ、Ｂ’をその対向して配置された反射性表面Ｓ２、Ｓ３上に備えている：これらの多層コーティングＢ、Ｂ’は、異なる波長の光を異なる長期間にわたって「蓄積(storing)」することによって負のＧＤＤを引き起こすであろう。しかしながら、この多層干渉フィルターは、共振分散性ミラー（例えば、国際公開第０１／０５０００号パンフレットを参照）とは異なって、表面Ｓ２、Ｓ３の反射性（すなわち、反射能力）を変更しないであろう。表面Ｓ２、Ｓ３の高い反射性は上記した全反射によってもたらされるものであるので、多層干渉フィルターＢ、Ｂ’は、所定のＧＤＤを導入するためだけに働くのである（そして、全反射によって高い反射性が得られる）。コーティングＢ、Ｂ’は、以下の実施例によって示されるように、はるかに高いＧＤＤ値を導入することが可能であろうし、また、したがって、レーザー共振器の他の成分に関してのＧＤＤ補償のことはさておいて、任意の欠点を伴うことなく、ガラスからなる光学的に長い遅延線部材を構成することが可能である。演算を実行することにより示されるように、コーティングＢ、Ｂ’のＧＤＤは、したがって、任意の問題を引き起こすことなく、ガラス伝播路の正のＧＤＤを、部分的にもしくは全体的に補償するか、さもなければ過補償することが可能である。
下記の例は、上記のようなコーティング構造体を示したものであり、基板、すなわちガラスロッドについて始まる連続したコーティングは、それらの化学式及び層の厚さ（ｎｍ）で示されている。
Ｎｂ２Ｏ５ １９５．５２
ＳｉＯ２ １９７．８２
Ｎｂ２Ｏ５ ９６．６５
ＳｉＯ２ ３８６．２５
Ｎｂ２Ｏ５ １１２．１７
ＳｉＯ２ １５４．９１
Ｎｂ２Ｏ５ ７１．２０
ＳｉＯ２ ２１１．８３
Ｎｂ２Ｏ５ １８０．５９
ＳｉＯ２ ２８２．０６
Ｎｂ２Ｏ５ ９１．４５
ＳｉＯ２ １９４．９３
Ｎｂ２Ｏ５ ７６．４８
ＳｉＯ２ ２０８．７６
Ｎｂ２Ｏ５ ７４．７５
ＳｉＯ２ ９６．３３
Ｎｂ２Ｏ５ ６４．１５
ＳｉＯ２ １８５．７８
Ｎｂ２Ｏ５ １２８．９０
ＳｉＯ２ ４９４．０８
Ｎｂ２Ｏ５ １２３．４１
ＳｉＯ２ １７２．２０
Ｎｂ２Ｏ５ ７９．２３
ＳｉＯ２ １５６．８７
Ｎｂ２Ｏ５ ５６．３９
ＳｉＯ２ １４９．７３
Ｎｂ２Ｏ５ ８９．６３
ＳｉＯ２ ２１２．６５
Ｎｂ２Ｏ５ １９３．５４
ＳｉＯ２ ３７４．６０
Ｎｂ２Ｏ５ １０９．１１
ＳｉＯ２ １８２．２７
Ｎｂ２Ｏ５ ９５．３６
ＳｉＯ２ １７３．７４
Ｎｂ２Ｏ５ ９０．６１
ＳｉＯ２ １５５．９９
Ｎｂ２Ｏ５ ６５．８０
ＳｉＯ２ １３８．９８
Ｎｂ２Ｏ５ ９５．７８
ＳｉＯ２ ２６３．９２
Ｎｂ２Ｏ５ ６３．８５
ＳｉＯ２ １５４．０１
Ｎｂ２Ｏ５ １１５．６８
ＳｉＯ２ ２０３．９３
Ｎｂ２Ｏ５ ９５．３８
ＳｉＯ２ １８５．７８
Ｎｂ２Ｏ５ ９２．００
ＳｉＯ２ １８３．０１
Ｎｂ２Ｏ５ ８８．５７
ＳｉＯ２ １７６．８２
Ｎｂ２Ｏ５ ８３．０１
ＳｉＯ２ １６９．７９
Ｎｂ２Ｏ５ ８１．９５
ＳｉＯ２ １７４．１８
Ｎｂ２Ｏ５ ９１．４７
ＳｉＯ２ １９６．０６
Ｎｂ２Ｏ５ ８２．３７
ＳｉＯ２ ２１４．８９
Ｎｂ２Ｏ５ １１７．７０
ＳｉＯ２ ２５１．１４
Ｎｂ２Ｏ５ １８９．６６
上記のような順序で層を配置すると、１反射当り−２７５ｆｓ２のＧＤＤが引き起こされ、また、（１反射当り）、７．７ｍｍの石英ガラスの伝播路のＧＤＤ及びＴＯＤ（第３次の分散−角周波数後のスペクトル相の３次導関数）が１００ｎｍの帯域幅にわたって補償される。図４に示す関連のＧＤＤは、石英ガラス／空気界面に対する入射角が４５°（＞θ１）と仮定して計算したものである。
もしも図２に示した遅延線部材１８が厚さｄ＝５ｍｍ及び長さａ＝７０ｍｍを有しているならば、そしてもしもレーザー光の入射角θ１が４５°であるならば、ガラスロッド２１における物理的経路長の合計は約９２ｍｍであり、また、この長さは、約１３３ｍｍの光学的経路長及び４４．４ｎｓの遅延に対応している。同一の遅延を導入するためには、空気中の直線的な伝播路は、集積化遅延線部材１８の長さに比較して１．９倍だけ長くなければならないであろう。もしもこの遅延線部材１８においてレーザーパルス（特に、フェムト秒のレーザーパルス）が伝播すると、遅延線部材１８の出口（出射面Ｓ４）におけるパルス持続は、遅延線部材１８のＧＤＤがパルスの全スペクトル幅にわたってゼロに等しいという条件があるとして、入口のパルス持続に等しくなるであろう。これを達成すため、反射面Ｓ２、Ｓ３には、ガラス要素２１のガラス材料の正のＧＤＤを補償するところの、上述の多重干渉フィルターコーティングＢ、Ｂ’が備えられる。図２に示した遅延線部材の場合、９２ｍｍ長のガラス経路の全体的な分散は３３０９ｆｓ２である（ガラスロッド２１が石英ガラスからできていると仮定して）。したがって、表面Ｓ２、Ｓ３上に設けられたコーティングＢ、Ｂ’は、１分散当り約−２７５ｆｓ２のＧＤＤを引き起こすべきである。コーティングは、先に例示したような層を含み、また、その層の厚さは、上記したＧＤＤ（図４に示したようなもの）を導入し、かつ１００ｎｍを上回る３桁の分散を追加的に補償することも可能である。
本発明の遅延線部材１８を備えた多層コーティングＢ、Ｂ’は、表面Ｓ２、Ｓ３の反射率（全反射なので、１００％である）を変更することはない。これらのコーティングはただ、反射された光パルスの群遅延の周波数依存性を引き起こすだけである。このことは、異なる周波数成分が多層コーティングＢ、Ｂ’内において異なる蓄積時間を有しているときに達成されるであろう。しかしながら、いま一度強調しておかなければならないことは、設けられた分散性コーティングは、自体公知な分散性コーティングとは反対に、それらのコーティングが与えられている表面Ｓ２、Ｓ３の反射率に影響を及ぼさないであろうが、ただ反射されたパルスのスペクトル相を変化させるであろうということである。
図５及び図６は、レーザーオシレータにおいて本発明の集積化分散性光学的遅延線部材を使用した例を示したものであるが、本発明は、もちろん、これらの形状の限定されるものではない。
図５は、レーザー結晶１４、２個の集積化分散性遅延線部材１８及び４個のミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ８を備えたレーザーオシレータ、すなわち、共振器１２を示している。ポンプビーム１３に由来するレーザー光１５は、２個の遅延線部材１８の表面（図２及び図３で、Ｓ２、Ｓ３）の間を伝播し、２個の湾曲したミラーＭ１及びＭ２によってレーザー結晶１４で収束もしくは再収束される。ミラーＭ１は、ポンプレーザー（ビーム１３）の波長で高い透過率を有し、したがって、ポンプビーム１３をレーザー結晶１４にカップリングさせることが可能である。レーザー結晶１４は、図５において模式的に示されているだけである；分光幾何学により、レーザー光１５と結晶表面の間でブルースター角の形成を可能とするような結晶を使用してもよい。共振器の長さ及びしたがってレーザーの繰り返し周波数ならびに共振器１２の安定性条件は、２個の遅延線部材１８の長さを支配している。２個の末端ミラーの一方、Ｍ３又はＭ８は、レーザー光１５のスペクトル領域内において低い透過率（通常、１〜３０％の間）を有しており、したがって、共振器１２の外側でレーザー光１５の適当なエネルギー部分をカップリングさせることが可能である。
図６に表されるレーザー共振器１２は、それぞれの共振器のアームが複数個の集積化遅延線部材１８から構成されているという点で図５に示したレーザーとは相異している。ミラーＭ１０〜Ｍ１８は、それぞれの遅延線部材をカップリングさせて連続した遅延線部材となすことを具現している。ここでも再び、レーザー光１５は、それぞれ、多重全反射の下で遅延線部材１８の表面の間を伝播し、２個の湾曲したミラーＭ１及びＭ２によってレーザー結晶１４に収束もしくは再収束せしめられる。ミラーＭ１は、ポンプレーザーの波長で高い透過率を有し、したがって、ポンプビーム１３をレーザー結晶１４にカップリングさせることが可能である。レーザー結晶１４は、ここでも再び模式的に示されているだけであり、分光幾何学により、レーザー光１５と結晶表面の間でブルースター角の形成を可能とするような結晶からなっていてもよい。２個の末端ミラーの一方、Ｍ３又はＭ８は、ここでも再び、共振器１２の外側でレーザー光１５の適当なエネルギー部分のカップリングを可能とするため、レーザー光１５のスペクトル領域内において低い透過率（通常、１〜３０％の間）を有している。
大きく図解して示した遅延線部材を含む短パルスレーザー装置の構造を示した模式図である。 本発明による遅延線部材の一例を示した長手方向の模式図である。 図２の線分III-IIIに沿った、この種のガラス要素遅延線部材の断面図である。 図３と同様な、変更されたガラス要素遅延線部材の断面図である。 ＧＤＤの補正を目的とした多層コーティングを備えた遅延線部材を使用した場合の、波長（ｎｍ）の関数として得られた負のＧＤＤ（ｆｓ２）を示したグラフである。 レーザー共振器あるいは短パルスレーザー装置において可能な、遅延線部材のアレイを示した模式図である。 レーザー共振器あるいは短パルスレーザー装置において可能な、遅延線部材のアレイを示した模式図である。

Claims (19)

  1. 予め定められた光学長でレーザー共振器（１２）の寸法を低下させるためにレーザー光の多重反射のためのミラー要素を含む、レーザー光（１５）のための多重反射遅延線部材（１８）において、
    前記ミラー要素は、１方向に延在したガラス要素（２１）の、２個の、対向して配置された、長手方向に延在している研磨面（Ｓ２、Ｓ３）から構成されており、また、さらに、研磨されたレーザー光入射面（Ｓ１）ならびに研磨されたレーザー光出射面（Ｓ４）を有しており、そこで、前記ガラス要素（２１）のミラー要素面（Ｓ２、Ｓ３）は、前記入射面（Ｓ１）と前記出射面（Ｓ４）の間に位置しており、かつ、レーザー光（１５）とともに、全反射の臨界角（θｃ）に少なくとも等しい角度（θ１）を形成し、一方、前記入射面（Ｓ１）と前記出射面（Ｓ４）は、前記ガラス要素のレーザー光（１５）とともに、全反射の臨界角（θｃ）よりも小さい角度（θ２）を形成していることを特徴とする多重反射遅延線部材（１８）。
  2. 前記ガラス要素（２１）の研磨されたミラー要素面（Ｓ２、Ｓ３）が互いに平行であることを特徴とする請求項１に記載の遅延線部材。
  3. 前記ガラス要素（２１）の研磨されたミラー要素面（Ｓ２、Ｓ３）が、前記ガラス要素（２１）におけるレーザー光の平均波長の少なくとも３０倍の相対的な間隔を有していることを特徴とする請求項２に記載の遅延線部材。
  4. 前記ガラス要素（２１）のレーザー光入射面（Ｓ１）及びレーザー光出射面（Ｓ４）が互いに平行であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の遅延線部材。
  5. 前記ガラス要素（２１）が、研磨されたミラー要素面の外側で、反射されたレーザー光について所定の群遅延分散（ＧＤＤ）を引き起こす多層コーティング（Ｂ、Ｂ’）を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の遅延線部材。
  6. 前記ガラス要素（２１）の多層コーティング（Ｂ、Ｂ’）によって引き起こされる群遅延分散（ＧＤＤ）が一定であることを特徴とする請求項５に記載の遅延線部材。
  7. 前記ガラス要素（２１）の多層コーティング（Ｂ、Ｂ’）によって引き起こされる群遅延分散（ＧＤＤ）が周波数に依存していることを特徴とする請求項５に記載の遅延線部材。
  8. 前記ガラス要素（２１）の多層コーティング（Ｂ、Ｂ’）によって引き起こされる群遅延分散（ＧＤＤ）が負であり、かつ、絶対値に関して、多層コーティングを有しないガラス要素（２１）におけるレーザー光の全経路の正の群遅延分散に等しいかもしくはそれよりも大であることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の遅延線部材。
  9. 前記ガラス要素（２１）の多層コーティング（Ｂ、Ｂ’）がＳｉＯ２及びＴｉＯ２層から形成されていることを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載の遅延線部材。
  10. 前記ガラス要素（２１）の多層コーティング（Ｂ、Ｂ’）がＳｉＯ２及びＮｂ２Ｏ５層から形成されていることを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載の遅延線部材。
  11. 前記ガラス要素（２１）の多層コーティング（Ｂ、Ｂ’）がＳｉＯ２及びＴａ２Ｏ５層から形成されていることを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載の遅延線部材。
  12. 前記ガラス要素（２１）が石英ガラスからできていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の遅延線部材。
  13. 前記ガラス要素（２１）がＢＫ７ガラスからできていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の遅延線部材。
  14. 前記ガラス要素（２１）がＣａＦ２ガラスからできていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の遅延線部材。
  15. 前記ガラス要素（２１）の入射面及び出射面（Ｓ１、Ｓ４）がレーザー光（１５）とともにブルースター角を形成することを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の遅延線部材。
  16. 前記ガラス要素（２１）の入射面及び出射面（Ｓ１、Ｓ４）が反射防止コーティングを備えていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の遅延線部材。
  17. 前記ガラス要素（２１）がガラスロッドからなることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の遅延線部材。
  18. レーザー結晶（１４）及びレーザーミラー（Ｍｉ）ならびに請求項１〜１７のいずれか１項に記載の少なくとも１個の遅延線部材（１８）を含むことを特徴とする短パルスレーザー発生のためのレーザー共振器（１２）。
  19. レーザー結晶（１４）及びレーザーミラー（Ｍｉ）を含むレーザー共振器（１２）を含んだ、好ましくは正のモードロッキングを備えた短パルスレーザー装置であって、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の少なくとも１個の遅延線部材（１８）が前記レーザー共振器（１２）に備わっていることを特徴とする短パルスレーザー装置。
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