JP2009032916A - 分散補償器およびそれを用いた固体レーザ装置並びに分散補償方法 - Google Patents

Abstract

【課題】分散補償量を変えることができ、その上で小型、低損失、低コスト、高安定性も実現できる分散補償器を得る。
【解決手段】少なくとも一方が、入射する光の入射角に応じて値が変わる群速度分散を有するものであって、互いに平行に配置された第１の平面ミラー１および第２の平面ミラー２と、これらのミラー１、２を、平行状態を維持したまま、第１のミラー１に入射する光Ｂinの入射角が変化する向きに回転可能に保持するミラー保持手段４と、第１および第２のミラー１、２と共に回転しない状態に配置されて、第１のミラー１、第２のミラー２で順次反射した光を反射させる第３のミラー３とから分散補償器１０を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明はレーザ共振器内に群速度分散を与える分散補償器および分散補償方法に関するものである。

また本発明は、上述のような分散補償器を備えた固体レーザ装置に関するものである。

従来、希土類イオン（あるいは遷移金属イオン）を添加した固体レーザ媒質を、半導体レーザ（LD）等から発せられた励起光で励起する分散補償器が活発に開発されている。その中でも、パルス幅がｐsec（ピコ秒）からｆsec（フェムト秒）領域に有るいわゆる短パルス光を発生する短パルスレーザは、医療、バイオ、機械産業、計測など、多岐の応用分野で提案され、また実証を経て一部実用化されている。このレーザは、モード同期と呼ばれる動作により超短パルスを発生している。モード同期は、簡単に言えば、レーザ発振の際、周波数領域で見ると多数の縦モードの位相が全て同期し（相対位相差＝０）、このため縦モード間のマルチモード干渉により、時間領域では極めて短いパルスとなる現象である。

このモード同期を実現するために、現在までに幾つかの方法が提案されている。具体的には、レーザ媒質の非線形屈折率に基づくカーレンズ効果によるもの、半導体等からなる可飽和吸収ミラー（Semiconductor Saturable Absorbing Mirror; SESAM）、非線形偏光回転、音響光学素子によるものなどが挙げられる。これらの方法は全て、レーザ発振の縦モードの位相を強制的にロックする作用を有している。

ここで、パルス幅がピコ秒を下回るようないわゆる超短パルスレーザにおいては、光パルスの持つ波長広がり（スペクトル幅）が数ｎｍから数10ｎｍにも及び、レーザ共振器内を周回する際、レーザ結晶や共振器ミラーなどの光学部品の持つ正の波長分散（群速度分散）によりパルス幅が伸長することが知られている。

従来、この現象を補正して短パルスを得るために、共振器内に負の群速度分散（以下、単に負分散あるいは分散と称することもある）を与えることが行われており、分散補償と呼ばれている。通常、数100ｆsec以下のパルス幅を得るためには、分散補償は必須の技術である。与えるべき分散補償量は任意ではなく、レーザ動作条件に応じた最適値が存在する。また、モード同期手法の一つの形態であるソリトンモード同期では、共振器内で分散補償が成され、パルス幅の圧縮が行われることと自己位相変調効果が組み合わさって、初めてモード同期現象が生じる。

したがって、波長帯域で決るフーリエ変換限界の最短パルスを得るために、分散補償量の最適化は必須となる。一方、共振器内で分散補償を行うには、小型で光損失が極めて低いことが望ましい。併せて、低コスト、高安定であることも、実用的な超短パルスレーザの実現に必要な条件である。

分散補償には、これまで幾つかの手法が提案されてきた。例えばプリズム対を用いるもの（特許文献１参照）や、回折格子対を用いるもの（特許文献２参照）などが一般的であり、さらに最近では、共振器に用いる高反射鏡に波長ごとに進入深さの異なる誘電体多層膜をコートしたチャープミラーを用いるもの（特許文献３、４参照）等が知られている。また、GTI（Gires-Tournois Interferometer）干渉計を用いるもの（非特許文献１参照）や、その応用としてのGTIミラーを用いるもの（同じく非特許文献１参照）等も知られている。また上述の非特許文献１には、平行配置した負分散ミラーを回転させて可変分散を実現することも記載されている。
特開平８−２６４８６９号公報 特開平１０−３３３１９７号公報 特開２００６−３５２６１４号公報 特開２００６−３０２８８号公報 IEEE Transaction on Quantum Electronics, Vol.22, No.1 (1986) pp. 182-185

しかしながら、共振器内に挿入可能なサイズと分散補償量の可変性を有し、低損失、低コスト、高安定を合わせ持つものは、これまで提供されていなかった。

例えばプリズム対を用いる場合、通常要求される-1000〜-5000fs²程度の負分散を生じさせるためには、代表的なSF10プリズムを用いる場合で、プリズム間隔を10〜50ｃｍ程度に設定する必要があり、共振器長もその程度必要となる。共振器長の増大は、レーザ装置のサイズ増大と機械変動による不安定性を誘発しやすい。

一方、回折格子を用いる場合は、回折効率が最大でも80％程度であるため、回折格子対の挿入による光パワー損に起因するレーザ出力の大幅減衰を招く。

チャープミラーを用いる場合は、通常の高反射誘電体多層膜ミラーと同程度の反射率（99.9％）が得られ、挿入損、サイズに関しては問題ないが、分散量がミラーにコートされた規定値のみであるため、分散補償量の可変性が損なわれる。

GTI干渉計を用いる場合は、小型、低損失、分散補償量の可変性を有するものの、極めて微細な空隙間隔の制御を圧電素子で行う必要があり、レーザ装置のコストアップを招く。また、圧電素子の空間的ドリフトによる動作点の変動が生じるため、レーザ動作の長期間の安定性に疑問が残る。

また、平行配置した負分散ミラーを回転させる従来の手法には、負分散ミラーの回転に伴って、出射ビームの出射位置が大きくずれるという不具合が認められる。このため、この構成をレーザ共振器内に配置する場合は、ミラー回転に応じてレーザ発振器の光学アライメント調整をし直す必要があり、極めて不便である。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、出射ビームの出射位置を変動させることなく分散補償量を変えることができ、その上で小型、低損失、低コスト、高安定性も実現できる分散補償器を提供することを目的とする。

また本発明は、上述のような分散補償器を用いた分散補償方法を提供することを目的とする。

また本発明は、上述のような分散補償器を備えて、極めて短いパルス幅のレーザ光を安定して出力することができる固体レーザ装置を提供することを目的とする。

本発明による第１の分散補償器は、
少なくとも一方が、入射する光の入射角に応じて値が変わる群速度分散を有するものであって、互いに平行に配置された第１および第２の平面ミラーと、
これら第１および第２のミラーを、平行に保持するミラー保持手段と、
前記第１のミラー、第２のミラーで順次反射した光を反射させる第３のミラーとからなることを特徴とするものである。

なお、上述した第１および第２のミラーを平行に保持するミラー保持手段は、それらのミラーの平行状態を維持したまま、第１のミラーに入射する光の入射角が変化する向きに回転可能とされていることが特に望ましい。また、そのように構成された場合は、ミラー保持手段に保持された第１および第２のミラーを回転させる駆動手段がさらに設けられることが望ましい。

また、本発明による第１の分散補償器においては、前記第１および第２のミラーを平行状態に維持したまま、それらの間隔を変化させる手段が設けられることが望ましい。そしてそのように構成された場合は、第１および第２のミラーの間隔を変化させる手段を駆動する駆動手段がさらに設けられることが望ましい。

また、本発明による第１の分散補償器においては、前記第３のミラーが群速度分散を有していることが望ましい。

また、本発明による第１の分散補償器においては、前記第１および第２のミラーが、入射した光が各々において複数回反射する状態に配置されていることが望ましい。

また、本発明による第１の分散補償器においては、
前記第２のミラーが負の群速度分散を有するものであり、
この群速度分散の値が、第２のミラー上の光の入射位置が変化する方向に沿って変化していることが望ましい。

また、本発明による第１の分散補償器においては、前記第１および第２のミラーが、平行な２面を有する光学基板の該２面にそれぞれ形成されたコートからなるものであることが望ましい。

一方、本発明による第２の分散補償器は、
入射する光の入射角に応じて値が変わる群速度分散を有する平面ミラーと、
この平面ミラーを保持するミラー保持手段と、
前記入射点を曲率中心とする凹面ミラーとからなることを特徴とするものである。

なお、この本発明による第２の分散補償器において、前記平面ミラー保持手段は、光の入射点を中心として回転可能に形成されていることが望ましい。そのように構成された場合は、平面ミラー保持手段を回転させる駆動手段がさらに設けられることが望ましい。

また、本発明による固体レーザ装置は、以上説明した本発明による第１あるいは第２の分散補償器を共振器内に備えたことを特徴とするものである。

他方、本発明による第１の分散補償方法は、
少なくとも一方が、入射する光の入射角に応じて値が変わる群速度分散を有するものであって、互いに平行に配置された第１および第２の平面ミラーと、
これら第１および第２のミラーを、平行状態を維持したまま、第１のミラーに入射する光の入射角が変化する向きに回転可能に保持するミラー保持手段と、
前記第１および第２のミラーと共に回転しない状態に配置されて、第１のミラー、第２のミラーで順次反射した光を反射させる第３のミラーとからなる分散補償器を用いる分散補償方法であって、
前記ミラー保持手段を回転させて所望の分散補償量とする調整を行った後、
前記ミラー保持手段を回転不可能な状態として分散補償状態を固定することを特徴とするものである。

また、本発明による第２の分散補償方法は、
入射する光の入射角に応じて値が変わる群速度分散を有する平面ミラーと、
この平面ミラーを、光の入射点を中心として回転可能に保持するミラー保持手段と、
前記平面ミラーと共に回転しない状態に配置された、前記入射点を曲率中心とする凹面ミラーとからなる分散補償器を用いる分散補償方法であって、
前記ミラー保持手段を回転させて所望の分散補償量とする調整を行った後、
前記ミラー保持手段を回転不可能な状態として分散補償状態を固定することを特徴とするものである。

本発明による第１の分散補償器は、少なくとも一方が、入射する光の入射角に応じて値が変わる群速度分散を有するものであって、互いに平行に配置された第１および第２の平面ミラーと、これら第１および第２のミラーを平行に保持するミラー保持手段とを備えているので、第１および第２のミラーを、第１のミラーに入射する光の入射角が変化する向きに回転させると、それらのミラーに入射する光の入射角が変化する。こうして、群速度分散を有するものである第１および／または第２のミラーに対する光の入射角が変化する結果、分散補償量が回転角に応じて随意に変えられることとなる。

そして、第１のミラー、第２のミラーで順次反射した光を反射させる第３のミラーがさらに設けられているので、この第３のミラーで反射した光は、第１および第２のミラーの回転角によらず、第１のミラーに入射した光の光路上を逆に辿って戻るようになる。こうして、該分散補償器から出射する光の出射位置は変動することなく、常に一定に保たれる。

なお本発明による第１の分散補償器において、第３のミラーも群速度分散を有している場合は、この第３のミラーでも分散補償を行うことができるので、第１および／または第２のミラーによる分散補償量が足りないような場合は、足りない分散補償量を該第３のミラーによって補うことができる。

また、本発明による第１の分散補償器において、第１および第２のミラーを平行状態に維持したまま、それらの間隔を変化させる手段が設けられている場合は、その間隔を変化させることにより、第３のミラーに入射する光の位置も一定に維持することができる。第３のミラーとして部分透過ミラーを適用して、そこを透過した光を固体レーザのＡＰＣ（Automatic Power Control）用に検出するような場合は、第３のミラーに入射する光の位置（つまりは該ミラーを透過して出射する光の位置）が変化すると、光検出器の受光面から光が外れてしまうような不具合が発生し得るが、上述の通りにして第３のミラーに入射する光の位置を一定に維持できれば、そのような不具合の発生も防止できる。

また、本発明による第１の分散補償器において、第２のミラーが群速度分散を有するものであり、この群速度分散の値が、前記回転がなされたとき第２のミラー上の光の入射位置が変化する方向に沿って変化している場合は、ミラーの回転に伴って変化する分散補償量をさらに大きく拡大したり、あるいは反対に低下させることができる。それにより、ミラーの単位回転角に対して分散補償量をより急激に変化させたり、あるいは反対により緩やかに変化させることが可能になる。

一方、本発明による第２の分散補償器は、入射する光の入射角に応じて値が変わる群速度分散を有する平面ミラーと、この平面ミラーを保持するミラー保持手段とを備えているので、上記平面ミラーを例えば光の入射点を中心として回転させると、そのミラーに入射する光の入射角が変化する。こうし、群速度分散を有する平面ミラーに対する光の入射角が変化する結果、分散補償量が回転角に応じて随意に変えられることとなる。

そして、前記入射点を曲率中心とする凹面ミラーがさらに設けられているので、この凹面ミラーで反射した光は、平面ミラーの回転角によらず、凹面ミラーに入射した光の光路上を逆に辿って戻り、さらには平面ミラーに入射した光の光路上を逆に辿って戻るようになる。こうして、該分散補償器から出射する光の出射位置は変動することなく、常に一定に保たれる。

なお、第１の分散補償器においてミラー保持手段に保持された第１および第２の平面ミラーや、第２の分散補償器においてミラー保持手段に保持された平面ミラーは、手動で回転させることもできるが、それらのミラーを回転させる駆動手段が設けられていれば、ミラー回転を自動的に行うことが可能になる。

以上説明した通り、本発明による第１および第２の分散補償器は、極めて簡単な構成のものであるので、低コストでかつ小型に形成可能である。

さらに本発明による第１および第２の分散補償器は、エタロン空隙を制御するような高精度可動部分は必要無いものであるので、その点からも低コストで形成可能であり、また高い安定性を備えたものとなる。

さらに本発明による第１および第２の分散補償器は、回折格子のように大きな光パワー損を生じさせる要素は備えていないので、低損失のものとなり得る。

また本発明による固体レーザ装置は、以上説明した通りの本発明による分散補償器を共振器内に備えたものであるので、分散補償量を適正に設定して、極めて短いパルス幅のレーザ光を安定して出力可能となる。

他方、本発明による第１の分散補償方法は、
少なくとも一方が、入射する光の入射角に応じて値が変わる群速度分散を有するものであって、互いに平行に配置された第１および第２の平面ミラーと、
これら第１および第２のミラーを、平行状態を維持したまま、第１のミラーに入射する光の入射角が変化する向きに回転可能に保持するミラー保持手段と、
前記第１および第２のミラーと共に回転しない状態に配置されて、第１のミラー、第２のミラーで順次反射した光を反射させる第３のミラーとからなる分散補償器を用いる分散補償方法であって、
前記ミラー保持手段を回転させて所望の分散補償量とする調整を行った後、
前記ミラー保持手段を回転不可能な状態として分散補償状態を固定するようにしたので、所望の分散補償量が得られる状態が確実に維持されることになる。

また、本発明による第２の分散補償方法は、
入射する光の入射角に応じて値が変わる群速度分散を有する平面ミラーと、
この平面ミラーを、光の入射点を中心として回転可能に保持するミラー保持手段と、
前記平面ミラーと共に回転しない状態に配置された、前記入射点を曲率中心とする凹面ミラーとからなる分散補償器を用いる分散補償方法であって、
前記ミラー保持手段を回転させて所望の分散補償量とする調整を行った後、
前記ミラー保持手段を回転不可能な状態として分散補償状態を固定するようにしたので、この方法においても、所望の分散補償量が得られる状態が確実に維持されることになる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態による可変分散補償器１０を示すものである。この可変分散補償器１０は、負分散ミラー（分散補償ミラー）として、エタロン干渉を用いたいわゆるGTIミラーを適用したものである。しかし、これに限らず、入射角度に依存する負分散を呈するミラーであればいずれも使用可能である。

以上の通りの負分散ミラー（第１のミラー）１および負分散ミラー（第２のミラー）２は、回転中心Ｏの周りを回転可能とされた回転機構４の上に、互いに平行にして配置されている。また回転機構４の外には、負分散ミラー２からの光が垂直入射する状態にして、第３のミラーとしての平面反射ミラー３が配置されている。入射レーザビームＢinは、負分散ミラー１に入射するように光路が設定される。なお本例において、回転機構４の回転中心Ｏは、負分散ミラー１における入射レーザビームＢinの入射点近傍に設定されているが、そのようにすることは必ずしも必要ではなく、適当な位置に回転中心Ｏを設定することができる。

入射レーザビームＢinは負分散ミラー１で反射して負分散ミラー２に入射し、そこで反射して平面反射ミラー３に入射する。こうして平面反射ミラー３で反射したレーザビーム（出射レーザビームＢout）は、負分散ミラー２、負分散ミラー１で順次反射し、入射レーザビームＢinの光路を逆方向に辿って進行する。

この構成においては、回転機構４を手動で、あるいは駆動手段により自動で回転させると、負分散ミラー１および負分散ミラー２に入射するレーザビームの入射角が変化するので、後述するように分散量が変化する。なお、この分散量は、レーザ結晶や共振器ミラーなどの光学部品の持つ正の波長分散を補償することになる負の分散量、すなわち分散補償量である。

ここで、負分散ミラー１と負分散ミラー２との間隔は、光路の空間的な配置のみにより決定され、分散補償量とは独立である。典型的にこの間隔はｍｍオーダー（5〜20ｍｍ）であるが、これに限ることなく、図１のようなビーム配置が可能であればその範囲で任意に選定してよい。それは、ビームの直径、入射角度の関数である。負分散ミラー１、２の大きさも、ミラー間隔と同様に、空間的なビーム配置が可能であればその範囲で任意に決めることができる。

なお、負分散ミラー１、２のうちどちらか一方は、分散が正または零の通常のミラーであっても構わない。平面反射ミラー３は、ここでは高反射ミラーが用いられているが、場合によっては部分透過ミラーでも構わない。

GTIミラーの特性を記述する理論（非特許文献１参照）に基づいて、負分散ミラー１、２の分散の波長依存性を理論計算した結果を図２に示す。これによると、波長1030ｎｍ辺りで、入射角45度で-2540fs²程度の分散量を呈することが分かる。一方、入射角を変化させて、45度から-10度、＋10度とした場合、それぞれ-2210fs²（45度に比して+330fs²）、-3070fs²程度（45度に比して-530fs²）の分散量であり、860fs²の分散可変幅が得られていることが分かる。

以上は一枚のミラーの特性である。図１のような構成であれば、45度入射で往復の場合、中心分散量は-10160（=2540×4）fs²、可変幅は3440(=860×4)fs²が得られる。中心分散量は最適値から多少大きめであるから、正の分散を平面反射ミラー３またはレーザ共振器内の他の光学素子において、+8000fs²程度施しておくと、入射角度を変えることにより往復で、中心分散を-2160fs²として、-840〜-4280fs²まで可変となる。この+8000fs²の正分散は同じくGTIミラーの別の設計で可能である。

GTIミラーの設計はさまざま考えられ、本実施形態はその一例であるが、所望の角度依存性を持たせるようなミラー設計が可能である。

また本実施形態の構成では、負分散ミラー１および負分散ミラー２が互いに平行に配置されたまま上述のように回転されるので、この回転の角度によらず、平面反射ミラー３に入射する入射レーザビームＢinの向きは、常に負分散ミラー１に入射する入射レーザビームＢinの向きと平行になる。したがって、平面反射ミラー３で反射する出射レーザビームＢoutは該ミラー３から常に垂直に出射し、よって負分散ミラー１で反射した出射レーザビームＢoutは入射レーザビームＢinの光路を逆に辿ることになる。

以上のように出射レーザビームＢoutは、負分散ミラー１、２の回転角によらず、常に入射レーザビームＢinの光路と全く同じ経路を辿って入射側に帰って行くので、その出射位置が一定に維持される。また以上の通りであるから、平面反射ミラー３は固定で良い。このため、分散量の可変性が、光学アライメントを変えること無く実現される。

次に図３を参照して、本発明の第２の実施形態による固体レーザ装置２０について説明する。この固体レーザ装置２０は、図１に示した可変分散補償器１０がモード同期レーザ発振器内に挿入されてなるものであり、励起用レーザ２１と、このレーザ２１から発せられた励起用レーザビーム２２をコリメート、集光する励起光学系２３と、この励起光学系２３による励起用レーザビーム２２の収束位置に配されたレーザ結晶２４と、このレーザ結晶２４を間に置く状態に配置された凹面ミラー２５、２６と、凹面ミラー２５で反射した固体レーザビームＢが入射する位置に配された凹面ミラー２７と、この凹面ミラー２７で反射した固体レーザビームＢが垂直入射するように配置された半導体可飽和吸収ミラー（SESAM）２８とを有している。

励起用レーザ２１としては、波長980ｎｍのレーザビーム２２を発する例えば半導体レーザが用いられている。また凹面ミラー２５は曲率半径100ｍｍのもので、そこには、励起波長980ｎｍに対して無反射で、固体レーザビームＢの波長1045ｎｍに対して高反射であるコートが施されている。レーザ結晶２４としては、Ybイオン濃度5at％、厚み1ｍｍであるYb:KYW結晶が適用されている。一方、凹面ミラー２６と凹面ミラー２７の曲率半径はそれぞれ100ｍｍである。

可変分散補償器１０は、凹面ミラー２６で反射した固体レーザビームＢが負分散ミラー１に入射する状態に配置されている。なお図３では、図１に示した回転機構４は省略してある。またここでは平面反射ミラー３として、固体レーザ装置の出力ミラーとなる部分透過ミラー（出力透過率１％）が適用され、この平面反射ミラー３と半導体可飽和吸収ミラー２８との間で共振器が構成されている。

この固体レーザ装置２０においては、励起用レーザ２１から発せられた波長980ｎｍのレーザビーム２２が、励起光学系２３によってレーザ結晶２４に集光される。そして凹面ミラー２５と凹面ミラー２６とにより、レーザ結晶２４での共振器横モードが半径30μｍ程度に絞り込まれる。また半導体可飽和吸収ミラー２８での共振器モード径も凹面ミラー２７により絞り込まれ、ＣＷモード同期が達成される。以上の構成においては、励起用レーザ２１のパワーが１Ｗのとき、モード同期が取れたレーザ出力100ｍＷを得ることができた。

本発明の可変分散補償器は特に、この図３のようにレーザ共振器内に分散補償器を挿入する場合に有効である。なぜなら、ミラー対の回転による光軸変動が無いため、共振器のアライメントが崩れないからである。また分散補償量の最適化は、特に短いパルス幅を得るために必須である。図４は群速度分散量とパルス幅との関係を示す実験例であり、ある分散量（この場合、-900fs²）より絶対値が小さい場合は、パルスが分裂する状態（ダブルパルス）になり、大きい場合はパルス幅が伸長してしまう。最短パルス幅100fsは、-900fs²の分散量の近傍のみで実現できている。可変分散補償器１０の可変分散機能により、この-900fs²という分散補償量を、共振器アライメントを崩すことなく達成可能となっている。

なお、分散補償量の最適値は、用いるレーザ媒質、励起密度、出力鏡での出力結合率、内部損失、波長帯域幅などの関数であり様々である。分散量の絶対値が不足している場合は、図５に示す第３の実施形態の可変分散補償器３０におけるように、負分散ミラー１と負分散ミラー２との間で多重反射させるのが望ましい。つまり、往復での分散量を、こうして反射回数を増やすことで増大させることができる。

また負分散ミラー１および負分散ミラー２による可変量は限定されるので、平面反射ミラー３に固定の分散量を与えておき、分散の最適値が、分散補償器のカバーできる分散量の範囲に入るようにすることも考えられる。

また、図６に示す第４の実施形態の可変分散補償器４０では、負分散ミラー１、２に対する入射レーザビームＢinの入射角が変化しても、該入射レーザビームＢinの平面反射ミラー３への入射位置を一定にすることができる。すなわち本例では、負分散ミラー１および負分散ミラー２の平行状態を維持したまま、それらの間隔を変える手段が設けられている。こうして負分散ミラー１と負分散ミラー２との間隔を可変とすることで、平面反射ミラー３に入射レーザビームＢinが入射する位置を一定にすることができる。

具体的には、負分散ミラー１および２の位置が図６の(1)（図中では丸囲み数字で示す。以下同様）の状態から、それらを回転させて(2)の位置に変わった場合、本来は、平面反射ミラー３に入射レーザビームＢinが入射する位置はＡからＢへと変わる。そこで、この場合は負分散ミラー１および２の間隔を狭めて(3)の配置とすることで、部分反射ミラー３に入射レーザビームＢinが入射する位置をＡのままにすることができる。

こうすることで、例えば平面反射ミラー３が部分透過ミラーからなる出力ミラーとされている場合は、出力ミラー３から出射するビームの位置が、分散を変化させても変わらないという利点が得られる。こうして平面反射ミラー３から出力するレーザビームの位置が一定となれば、出射後のレーザビームを扱う光学系のアライメントを調整する必要が無くなり、極めて有効である。

より具体的には、図７に示すようにミラー間隔をｄ、入射角θとすると、負分散ミラー１から負分散ミラー２に入射するビームのｙ軸への射影Ｙは以下の式で書ける。ただしφは、光軸に平行に取った直交座標系である。

したがって、この（数１）式に基づいて、入射角θの変化に対して射影Ｙが変化する分を補正するように、負分散ミラー２を例えばアクチュエータに搭載して動かせばよい。負分散ミラー２を動かす量Ｄは、詳しい計算仮定は省略するが、下記の式で与えられる。ただし、入射角θ′は回転後の入射角である。

次に図８を参照して、本発明の第５の実施形態による可変分散補償器５０について説明する。本実施形態では負分散ミラー２として、その面内に群速度分散の分布を有するものが用いられている。つまり、負分散ミラー２の回転に伴ってそこへの入射レーザビームＢinの入射位置が変化するが、この入射位置の変化方向に沿って負分散ミラー２の負分散量が変化している。

この場合も第１の実施形態と同様、基本的に、負分散ミラー１、２の対を回転させることにより、負分散ミラー１、２の負分散の回転角度依存性が利用される。そのとき、負分散ミラー２の配置状態が(1)から(2)に変化すると、負分散ミラー２に入射レーザビームＢinが入射する位置は、図中「あ」から「い」に変わる。こうして入射レーザビームＢinの入射位置が変化すると、それに応じて負分散ミラー２の負分散量が変わることになる。

そのような負分散ミラーとしては、前述した特許文献４に記載されているように、面内に群速度分散の傾斜をつけた負分散ミラーなどが適当である。このようにすることで、分散量の可変範囲を、ミラー角度の変化によるものと、分散量のスポット位置依存性によるものとの和とすることができ、可変範囲をより増大させることができる。具体的に負分散ミラー２には、1ｍｍのビーム位置変化量当たり、100fs²程度の負分散変化を付けることが可能である。入射角を45度から55度へ変化させた場合、ミラー間隔が５ｍｍのときビームスポットは約２ｍｍ動くので、さらに200fs²程度の可変量を、ミラー角度による可変量に追加することができる。

次に図９を参照して、本発明の第６の実施形態による可変分散補償器６０について説明する。本実施形態では、互いに別体に形成された平行ミラー対を配置する代わりに、平行平板である光学基板６１の両端面に施されたコートからなる負分散ミラー１、２が適用されている。この場合は、平行ミラーが一体型になるため、可変分散補償器をより小型化することが可能である。

次に図１０を参照して、本発明の第７の実施形態による固体レーザ装置７０について説明する。この固体レーザ装置７０においては、図３の固体レーザ装置２０と比べて、レーザ結晶２４がより共振器ミラーの近傍に配置されている。つまりレーザ結晶２４は図示のように一つの共振器ミラーを構成する平面ミラー７１の近傍に配置されるか、あるいは共振器ミラーそのものを構成している。

そのような場合は空間ホールバーニング効果がより強く現れ、このため、モード同期動作における分散量のより微細な最適化が必要になることが知られている（例えば文献Applied Physics B Vol.72 (2001) pp.267-278参照）。共振器ミラー近傍にレーザ結晶２４を配置することで、共振器全体を小型化できるため、この構成は実用上好ましいが、その半面上記の問題が生じる。

そこでこの固体レーザ装置７０では、分散量を高精度に可変とすることで、最適なモード同期動作が実現できる共振器構造を採用している。すなわちここでは、図３における平面反射ミラー３の代わりに半導体可飽和吸収ミラー２８を配置し、凹面ミラー２６でレーザ結晶２４と半導体可飽和吸収ミラー２８に共振器スポットを配置するようにしている。

ただしこの場合、ＣＷモード同期を実現するために、半導体可飽和吸収ミラー２８上の共振器スポットを最小にする必要がある。そのためには、凹面ミラー２６から半導体可飽和吸収ミラー２８までの光路長が最適な値（典型的には、凹面ミラー２６の曲率半径と同程度の長さ）に維持されていることが必要である。しかし負分散ミラー１、２の回転に伴い、光路長は若干ずれるようになる。そこで、半導体可飽和吸収ミラー２８に光軸方向の位置調整機能を持たせることで、負分散ミラー１、２の回転に伴う光路長の変化をキャンセルし、一定に維持させることができる。

次に図１１を参照して、本発明の第８の実施形態による可変分散補償器８０について説明する。この可変分散補償器８０は負分散ミラーを１枚だけ用いて、可変量は少ないものの、分散補償量を可変としたものである。すなわちこの可変分散補償器８０は、入射レーザビームＢinの入射角θに応じて値が変わる負の群速度分散を有する１枚の負分散ミラー１と、この負分散ミラー１を、入射レーザビームＢinの入射点を回転中心Ｏとして回転可能に保持する回転機構（ミラー保持手段）４と、負分散ミラー１と共に回転しない状態に配置された、上記入射点を曲率中心とする凹面ミラー８１とから構成されたものである。

この構成において、負分散ミラー１を回転させると、そのミラー１に入射する入射レーザビームＢinの入射角θが変化する。こうして、負の群速度分散を有する負分散ミラー１に対する入射レーザビームＢinの入射角θが変化する結果、分散補償量が回転角に応じて随意に変えられることとなる。

またこの構成においては、さらに上述の通りの凹面ミラー８１が設けられているので、この凹面ミラー８１で反射した出射レーザビームＢoutは、負分散ミラー１の回転角によらず、凹面ミラー８１に入射した入射レーザビームＢinの光路上を逆に辿って戻り、さらには負分散ミラー１に入射した入射レーザビームＢinの光路上を逆に辿って戻るようになる。こうして、該可変分散補償器８０から出射する出射レーザビームＢoutの出射位置は変動することなく、常に一定に保たれる。

以上説明した可変分散補償器全てにおいて、極めてコンパクトな補償器サイズ（数ｃｍ以下）で可変負分散を実現できている。またこれらの可変分散補償器は全て、エタロン空隙を制御するような高精度可動部分が無いので、低コストで作製可能であり、また長期に亘って高安定性が保たれる。

なお本発明による第１の分散補償方法は、以上説明した以外の形態を取ることも可能である。例えば、第１および第２のミラーを小さい第１基板上に平行にして固定し、この第１基板をレーザ共振器の他の光学部材（第３のミラーを含む）が設置されている第２基板上に載せ、この第２基板上で第１基板を回転変位させて所望の入射角、すなわち所望の分散補償量となるよう位置調整し、最適位置で固定するような方法も採用可能である。

そのように第１基板を回転させて位置調整を行うためには例えば、
（１）第１基板を円形に形成し、第２基板に同半径の円状のガイド用溝を形成し、その溝内で回転変位させて調整する。

（２）第２基板に凸部あるいはピンを形成しておき、第１基板を凸部あるいはピンをガイドとして回転変位させて調整する。

などの構成を採用することができる。

また、上に説明した実施形態においては分散補償素子として負の分散補償を行う素子を用いた形態で記載しているが、本発明においては正の分散補償素子を用いることも可能である。

パルス幅が例えば100fsecであるようなフェムト秒オーダーのパルスレーザを出力するパルスレーザ装置から出力光に対してチャープパルス増幅を行う場合、パルス幅がフェムト秒オーダーのパルスレーザ光ではピークパワーが高過ぎるためそのまま増幅させることは困難であるため、正の分散補償素子を介してパルス幅2psec程度に広げピークパワーを下げてから100倍から1000倍の増幅率でチャープパルス増幅させ、その後負の分散補償素子を介することでパルス幅を再び100fsecとするパルスレーザ装置の形態がある。

このような装置形態において、正の分散補償素子として本発明の分散補償器を用いることで、該分散補償器から出射する光の出射位置は変動することなく、常に一定に保たれた状態で分散補償素子の回転角度、即ち分散補償量を調整することが可能である。

本発明の第１の実施形態による分散補償器を示す概略側面図 光の波長と群速度分散との関係を示すグラフ 本発明の第２の実施形態による固体レーザ装置を示す概略側面図 群速度分散とパルス幅との関係を示すグラフ 本発明の第３の実施形態による分散補償器を示す概略側面図 本発明の第４の実施形態による分散補償器を示す概略側面図 図６の分散補償器の作用を説明する図 本発明の第５の実施形態による分散補償器を示す概略側面図 本発明の第６の実施形態による分散補償器を示す概略側面図 本発明の第７の実施形態による固体レーザ装置を示す概略側面図 本発明の第８の実施形態による分散補償器を示す概略側面図

符号の説明

１ 負分散ミラー（第１のミラー）
２ 負分散ミラー（第２のミラー）
３ 平面反射ミラー（第３のミラー）
４ 回転機構（ミラー保持手段）
１０，３０，４０，５０，６０，８０ 可変分散補償器
２０．７０ 固体レーザ装置
２１ 励起用レーザ
２２ 励起用レーザビーム
２３ 励起光学系
２４ レーザ結晶
２５，２６，２７，８１ 凹面ミラー
２８ 半導体可飽和吸収ミラー
６１ 光学基板
７１ 平面ミラー

Claims (17)

1. 少なくとも一方が、入射する光の入射角に応じて値が変わる群速度分散を有するものであって、互いに平行に配置された第１および第２の平面ミラーと、
   これら第１および第２のミラーを、平行に保持するミラー保持手段と、
   前記第１のミラー、第２のミラーで順次反射した光を反射させる第３のミラーとからなることを特徴とする分散補償器。
2. 前記第１および第２のミラーを平行に保持するミラー保持手段が、それらのミラーの平行状態を維持したまま、第１のミラーに入射する光の入射角が変化する向きに回転可能とされていることを特徴とする請求項１記載の分散補償器。
3. 前記ミラー保持手段を前記第１のミラーに入射する光の入射角が変化する向きに回転させる駆動手段を備えたことを特徴とする請求項２記載の分散補償器。
4. 前記第１および第２のミラーを平行状態に維持したまま、それらの間隔を変化させる手段が設けられていることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の分散補償器。
5. 前記第１および第２のミラーの間隔を変化させる手段を駆動する駆動手段を備えたことを特徴とする請求項４記載の分散補償器。
6. 前記第３のミラーが群速度分散を有していることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の分散補償器。
7. 前記第１および第２のミラーが、入射した光が各々において複数回反射する状態に配置されていることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の分散補償器。
8. 前記第２のミラーが負の群速度分散を有するものであり、
   この群速度分散の値が、第２のミラー上の光の入射位置が変化する方向に沿って変化していることを特徴とする請求項１から７いずれか１項記載の分散補償器。
9. 前記第１および第２のミラーが、平行な２面を有する光学基板の該２面にそれぞれ形成されたコートからなるものであることを特徴とする請求項１から８いずれか１項記載の分散補償器。
10. 入射する光の入射角に応じて値が変わる群速度分散を有する平面ミラーと、
    この平面ミラーを保持するミラー保持手段と、
    前記入射する光の前記平面ミラーにおける入射点を曲率中心とする凹面ミラーとからなる分散補償器。
11. 前記平面ミラー保持手段が、光の入射点を中心として回転可能に形成されていることを特徴とする請求項１０記載の分散補償器。
12. 前記平面ミラー保持手段を回転させる駆動手段を備えたことを特徴とする請求項１１記載の分散補償器。
13. 請求項１から１２いずれか１項記載の分散補償器を共振器内に備えたことを特徴とする固体レーザ装置。
14. 光学部材を配置するための基板を有し、該基板に、前記保持手段が回転変位可能となるよう該保持手段をガイドするガイド部材が形成されていることを特徴とする請求項１３記載の固体レーザ装置。
15. 光学部材を配置するための基板を有し、該基板に、前記保持手段が回転変位可能となるよう該保持手段を支持する凸部が形成されていることを特徴とする請求項１３記載の固体レーザ装置
16. 少なくとも一方が、入射する光の入射角に応じて値が変わる群速度分散を有するものであって、互いに平行に配置された第１および第２の平面ミラーと、
    これら第１および第２のミラーを、平行状態を維持したまま、第１のミラーに入射する光の入射角が変化する向きに回転可能に保持するミラー保持手段と、
    前記第１および第２のミラーと共に回転しない状態に配置されて、第１のミラー、第２のミラーで順次反射した光を反射させる第３のミラーとからなる分散補償器を用いる分散補償方法であって、
    前記ミラー保持手段を回転させて前記入射する光に対して所望の分散補償量とする調整を行った後、
    前記ミラー保持手段を回転不可能な状態として分散補償状態を固定することを特徴とする分散補償方法。
17. 入射する光の入射角に応じて値が変わる群速度分散を有する平面ミラーと、
    この平面ミラーを、光の入射点を中心として回転可能に保持するミラー保持手段と、
    前記平面ミラーと共に回転しない状態に配置された、前記入射点を曲率中心とする凹面ミラーとからなる分散補償器を用いる分散補償方法であって、
    前記ミラー保持手段を回転させて前記入射する光に対して所望の分散補償量とする調整を行った後、
    前記ミラー保持手段を回転不可能な状態として分散補償状態を固定することを特徴とする分散補償方法。

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