JP2010103428A - モード同期レーザ装置、超短パルス光源装置、広帯域光源装置、非線形光学顕微装置、記録装置、及び光コヒーレンストモグラフィ装置 - Google Patents

モード同期レーザ装置、超短パルス光源装置、広帯域光源装置、非線形光学顕微装置、記録装置、及び光コヒーレンストモグラフィ装置 Download PDF

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Abstract

【課題】超短パルス光を出力可能なコンパクトで且つ低コストのモード同期レーザ装置、超短パルス光源装置、広帯域光源装置、非線形光学顕微装置、記録装置、及び光コヒーレンストモグラフィ装置を提供する。
【解決手段】モード同期レーザ装置１０は、共振器３４と、共振器３４内に配置され、励起光が入射されることにより発振光を出力する固体レーザ媒質２６と、共振器３４内に配置され、ソリトンモード同期を誘起するためのＳＥＳＡＭ２８と、共振器３４内に配置され、共振器３４内の群速度分散を制御するための負分散ミラー３０と、励起光を固体レーザ媒質２６に入射させる励起光学系３２と、を備え、共振器３４の共振器長が、ソリトンモード同期が誘起可能な共振器長以上で且つ非ソリトンモード同期が誘起可能な共振器長未満である。
【選択図】図１

Description

本発明は、モード同期レーザ装置、超短パルス光源装置、広帯域光源装置、非線形光学顕微装置、記録装置、及び光コヒーレンストモグラフィ装置に係り、特に、超短パルス光を出力するモード同期レーザ装置、超短パルス光源装置、広帯域光源装置、非線形光学顕微装置、記録装置、及び光コヒーレンストモグラフィ装置に関する。
パルス幅がピコ秒またはフェムト秒の超短パルス光は、その非常に大きなピークパワーによって誘起される２光子吸収や第２次高調波発生（ＳＨＧ：Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）、コヒーレントアンチストークスラマン散乱（ＣＡＲＳ： Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ａｎｔｉ Ｓｔｏｒｋｓ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）等の非線形効果を利用した応用に用いられている。
超短パルス光を生成する方法としては、共振器内に配置された固体レーザ媒質を半導体レーザなどで励起し、発振している多くの縦モードの位相を同期させる「モード同期」方式があり、この方式でパルスレーザ光を生成するレーザ装置をモード同期レーザ装置と称している。
現在市販されているモード同期レーザ装置としては、スペクトラフィジックス社製のＴＳＵＮＡＭＩやコヒーレント社製Ｃｈａｍｅｌｅｏｎ等が広く使用されているが、これらのモード同期レーザはチタンサファイア結晶をベースにしたレーザ装置であり、図１７に示すような複雑な共振器構造となっている。
このように共振器構造が複雑であることとチタンサファイア結晶の励起に緑色固体レーザを使用していることにより、部品点数が多くなり、レーザ装置自体が１０００万円以上と非常に高価なものとなっている。また、出力安定性に関しては、出力変動に対し、共振器ミラーを最適化し出力を一定にするフィードバック機能を追加しなければ、数週間で発振が停止してしまうような不安定なものである。さらに大きさもテーブルトップサイズと大きい。
これらのモード同期レーザには、カーレンズモード同期と呼ばれるモード同期方法が採用されているが、この手法においては、モード同期が自己開始しにくく、自己開始させるための駆動機構（図１におけるＡＯＭに相当するもの）を設ける必要がある。また、モード同期を誘起するためには、共振器が不安定化する状態に構成する必要があり、これらが上記共振器構造の複雑化および出力不安定化の１つの原因となっている。
一方で近年、半導体可飽和吸収ミラー（ＳＥＳＡＭ： ＳＥｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｓａｔｕｒａｂｌｅ Ａｂｓｏｒｐｅｄ Ｍｉｒｒｏｒ）と呼ばれる素子を用いたモード同期レーザが報告されている。この素子を用いることによって、容易にモード同期を自己開始させることが可能であり、安定にモード同期をかけることもできる。また、この素子は共振器ミラーとして機能するため、共振器構造を簡素化することが可能であり、コンパクトかつシンプルな共振器構造で低コストのモード同期レーザが実現可能である。
図１８には、半導体可飽和吸収ミラー（以下、ＳＥＳＡＭ）を用いたモード同期レーザを示した（非特許文献１参照）。同図に示すように、共振器が凹面ミラー２００とＳＥＳＡＭ２０２により両端が構成された直線型構造となっている。共振器を構成する部品は凹面ミラー２００、ＳＥＳＡＭ２０２、及び固体レーザ媒質２０４のたった３点であり、非常にシンプルな構成となっているため、低コスト化およびコンパクト化が可能となる。さらに、共振器長が数ｃｍと短くなっているため、共振器ミラー等が気温や湿度等の環境の変化により変動した場合でも、共振器光軸の変動が抑制され、非常に高安定なモード同期レーザを実現することができる。図１７に示した市販のチタンサファイアを用いたモード同期レーザの共振器長は２ｍ程度と長く、このことがこれらのモード同期レーザの出力不安定化のもう一つの大きな原因になっており、共振器長が出力安定化に与える影響は大きい。
ところで、ＳＥＳＡＭを用いたモード同期レーザにおいてモード同期を開始または維持するためには、共振器内のパルスエネルギーＥｐを上記（３）式で表わされるモード同期閾値エネルギーＥｃ，ｐ以上に維持しなければならない（非特許文献２参照）。
ここで、Ｆｓａｔ，Ｌはレーザ媒質の飽和フルーエンスであり、プランク定数ｈ、発振光周波数ν、およびレーザ媒質の誘導放出断面積σを用いてｈν／σと表わされる。Ｆｓａｔ，ＳはＳＥＳＡＭの飽和フルーエンス、ＡＬはレーザ媒質中における発振光ビーム断面積、ＡＳはＳＥＳＡＭ上での発振光ビーム断面積、ΔＲはＳＥＳＡＭの変調深さを表している。
また、共振器内のパルスエネルギーＥｐは平均出力Ｐｏｕｔと出力ミラー透過率Ｔとパルス光の繰返し周波数ｆｒｅｐを用いて次式で表わされる。
Ｅｐ＝（Ｐｏｕｔ／Ｔ）／ｆｒｅｐ ・・・（４）
さらに、繰返し周波数ｆｒｅｐはパルス光が共振器内を単位時間に往復する回数であり、共振器長Ｌ、光速ｃを用いて次式で表わされる。
ｆｒｅｐ＝ｃ／２Ｌ ・・・（５）
上記（４）、（５）式から明らかなように、共振器長を短くしていくと、共振器内のパルスエネルギーＥｐが小さくなっていき、上記（３）式で表わされるモード同期閾値エネルギーＥｃ，ｐを下回ってしまうと、モード同期がかからなくなってしまう。そのため、限られた平均出力Ｐｏｕｔ下において、共振器長を短くするには、モード同期閾値エネルギーをできる限り小さくする必要がある。
モード同期閾値エネルギーを小さくするには上記（３）式中の各パラメータを小さくする必要がある。Ｆｓａｔ，ＳおよびΔＲはＳＥＳＡＭの特性であり、現在市販されているＳＥＳＡＭでこれらの値が最も小さいもので、Ｆｓａｔ，Ｓ＝７０μＪ／ｃｍ２、ΔＲ＝０．４％程度である。また、ＡＬおよびＡＳは２．８５×１０−５ｃｍ２程度が最小であり、これ以上ビーム断面積を小さくした場合、共振器が不安定化してしまったり、ＳＥＳＡＭを破壊してしまったりする虞がある。そこで、より短い共振器長のモード同期レーザを得るために、誘導放出断面積σが大きく、Ｆｓａｔ，Ｌを小さくできるＮｄ添加レーザ媒質が用いられている（例えば特許文献１参照）。
ただし、Ｎｄ添加レーザ媒質は、誘導放出断面積は大きいが、発振帯域が狭いため、短くても数ｐｓのパルス光しか生成することができない。一方で、近年、高出力赤外半導体レーザで励起可能なＹｂ添加レーザ媒質が高出力超短パルスモード同期レーザのレーザ媒質として注目を浴びており、このレーザ媒質は発振帯域が広く、数百ｆｓのパルス光を生成可能である。パルス幅数ｐｓと数百ｆｓの違いは、ピークパワーの値が一桁異なることと同様であり、例えば２光子吸収で言えばこの一桁の差が二桁の吸収の差となるため、非線形応用においてはこのパルス幅の差は大きい。
Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏ２９， ｐ２６２９−２６３１（２００４） Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ，Ｖｏ１６，ｐ４６−５６（１９９９） 特表２００２−５３６８２３号公報
しかしながら、Ｙｂ添加レーザ媒質は誘導放出断面積σが小さく、上記（１）式から導きだされるモード同期閾値エネルギーでは、共振器長を１５ｃｍ以下にすることが困難である。すなわち、パルス幅が数百ｆｓでかつ共振器長が１５ｃｍ以下の小型超短パルスモード同期レーザを実現することが困難であり、換言すれば、図１８に示すような簡素な構造で共振器の長さが短く、コンパクトで且つ低コストの超短パルス（数百ｆｓ）モード同期レーザを実現することは困難であった。
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、超短パルス光を出力可能なコンパクトで且つ低コストのモード同期レーザ装置、超短パルス光源装置、広帯域光源装置、非線形光学顕微装置、記録装置、及び光コヒーレンストモグラフィ装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、請求項１記載のモード同期レーザ装置の発明は、共振器と、前記共振器内に配置され、励起光が入射されることにより発振光を出力する固体レーザ媒質と、前記共振器内に配置され、ソリトンモード同期を誘起するための可飽和吸収体と、前記共振器内に配置され、前記共振器内の群速度分散を制御するための群速度分散補償素子と、前記励起光を前記固体レーザ媒質に入射させる励起手段と、を備え、前記共振器の共振器長が、ソリトンモード同期が誘起可能な共振器長以上で且つ非ソリトンモード同期が誘起可能な共振器長未満であることを特徴とする。
この発明によれば、可飽和吸収体及び群速度分散補償素子を備え、ソリトンモード同期が誘起可能なモード同期レーザ装置において、共振器の共振器長が、ソリトンモード同期が誘起可能な共振器長以上で且つ非ソリトンモード同期が誘起可能な共振器長未満となるように各部材が構成される。これにより、非ソリトンモード同期のモード同期レーザ装置と比較して共振器長を短くすることができるので、超短パルス光を出力可能なコンパクトで且つ低コストのモード同期レーザ装置が得られる。
具体的には、請求項２に記載したように、前記共振器長が、上記（１）式を満たすように各部材を構成する。
なお、請求項３に記載したように、前記共振器長が、１５０ｍｍ以下であることが好ましく、請求項４に記載したように、前記共振器長が、７５ｍｍ以下であるとより好ましい。
また、請求項５に記載したように、前記固体レーザ媒質の誘導放出断面積が、１×１０−２１ｃｍ２以上で且つ５×１０−１９ｃｍ２以下であることが好ましい。
また、請求項６に記載したように、前記固体レーザ媒質が、Ｙｂ：ＫＧＷ（ＫＧｄ（ＷＯ４）２）、Ｙｂ：ＫＹＷ（ＫＹ（ＷＯ４）２）、Ｙｂ：ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）、Ｙｂ：Ｙ２Ｏ３、Ｙｂ：Ｓｃ２Ｏ３、Ｙｂ：Ｌｕ２Ｏ３、Ｙｂ：ＧｄＣＯＢ（Ｃａ４ＧｄＯ（ＢＯ３）３）、Ｙｂ：ＳＹＳ（ＳｒＹ４（ＳｉＯ４）３）、Ｙｂ：ＢＯＹＳ（Ｓｒ３Ｙ（ＢＯ３）３）、Ｙｂ：ＹＶＯ４、Ｙｂ：ＧｄＶＯ４、Ａｌｅｘａｎｄｒｉｔｅ（Ｃｒ：ＢｅＡｌ２Ｏ４）、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ（ＬｉＳｒＡｌＦ６）、Ｃｒ：ＬｉＳＧＡＦ（ＬｉＳｒＧａＦ６）、Ｃｒ：ＬｉＣＡＦ（ＬｉＣａＡｌＦ６）、Ｃｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅ（Ｍｇ２ＳｉＯ４）、Ｃｒ：ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）、Ｃｒ：Ｃａ２ＧｅＯ４、Ｔｉ：Ａｌ２Ｏ３、Ｎｄ：Ｇｌａｓｓ、及びＥｒ：Ｙｂ：Ｇｌａｓｓの何れかである構成とすることができる。
また、請求項７に記載したように、前記共振器内の負分散量が−３０００ｆｓ２以上で且つ０ｆｓ２以下であることが好ましく、請求項８に記載したように、前記共振器内の負分散量が−１０００ｆｓ２以上で且つ０ｆｓ２以下であることがより好ましい。
また、請求項９に記載したように、前記発振光が出力される側の光学部材の透過率が、０．１％以上で且つ５％以下であることが好ましく、請求項１０に記載したように、前記透過率が、０．１％以上で且つ３％以下であることがより好ましい。
また、請求項１１に記載したように、前記可飽和吸収体の変調深さが０．５％以上で且つ５％以下であり、前記可飽和吸収体の飽和フルーエンスが５０μＪ／ｃｍ２以上で且つ２００μＪ／ｃｍ２以下であることが好ましい。
また、請求項１２に記載したように、前記平均出力が０．１ｍＷ以上で且つ１０Ｗ以下であることが好ましく、請求項１３に記載したように、前記平均出力が０．１ｍＷ以上で且つ５Ｗ以下であることがより好ましい。
また、請求項１４に記載したように、前記共振器が、直線上に配置された一対の共振器ミラーから成る構成としてもよい。
また、請求項１５に記載したように、前記可飽和吸収体が、半導体可飽和吸収ミラーである構成としてもよい。
また、請求項１６記載の非線形光学顕微装置の発明は、前記請求項１〜請求項１５の何れか１項に記載のモード同期レーザ装置と、前記モード同期レーザ装置からのパルス光を試料に集光する第１の集光光学系と、前記試料からの蛍光を集光する第２の集光光学系と、前記第２の集光光学系により集光された蛍光を検出する検出手段と、を備えたことを特徴とする。
この発明によれば、前記請求項１〜請求項１５の何れか１項に記載のモード同期レーザ装置を備えた構成とすることにより、小型で且つ低コストの非線形光学顕微装置が得られる。
請求項１７記載の超短パルス光源装置の発明は、前記請求項１〜請求項１５の何れか１項に記載のモード同期レーザ装置と、非線形結晶と、前記モード同期レーザ装置からのパルス光を前記非線形結晶に集光する集光レンズと、前記非線形結晶を透過した光のうち近赤外光をカットして可視波長帯域の超短パルス光を透過させるフィルタと、を備えたことを特徴とする。
この発明によれば、前記請求項１〜請求項１５の何れか１項に記載のモード同期レーザ装置を備えた構成とすることにより、小型で且つ低コストの超短パルス光源装置が得られる。
請求項１８記載の記録装置の発明は、前記請求項１７記載の超短パルス光源装置と、前記超短パルス光源装置からの超短パルス光を書き込み光として記録媒体に集光する集光光学系と、を備えたことを特徴とする。
この発明によれば、前記請求項１７記載の超短パルス光源装置を備えた構成とすることにより、小型で且つ低コストの記録装置が得られる。
また、請求項１９記載の広帯域光源装置の発明は、前記請求項１〜請求項１５の何れか１項に記載のモード同期レーザ装置と、非線形光ファイバーと、前記モード同期レーザ装置からのパルス光を前記非線形ファイバーに集光させる集光レンズと、を備えたことを特徴とする。
この発明によれば、前記請求項１〜請求項１５の何れか１項に記載のモード同期レーザ装置を備えた構成とすることにより、小型で且つ低コストの広帯域光源装置が得られる。
また、請求項２０記載の光コヒーレンストモグラフィ装置は、前記請求項１９記載の広帯域光源装置と、前記広帯域光源装置からの光を所定方向へ反射する反射手段と、前記広帯域光源装置からの光を試料に集光する集光光学系と、前記集光光学系により集光される光と前記試料とを相対移動させる移動手段と、前記反射手段により反射された光と前記試料からの戻り光との干渉光を検出する検出手段と、を備えたことを特徴とする。
この発明によれば、前記請求項１９記載の広帯域光源装置を備えた構成とすることにより、小型で且つ低コストの光コヒーレンストモグラフィ装置が得られる。
本発明によれば、超短パルス光を出力可能なコンパクトで且つ低コストのモード同期レーザ装置、超短パルス光源装置、広帯域光源装置、非線形光学顕微装置、記録装置、及び光コヒーレンストモグラフィ装置を提供することができる、という効果を有する。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
（第１実施形態）
前述したように、Ｙｂを添加した固体レーザ媒質は誘導放出断面積σが小さく、上記（３）式から導きだされるモード同期閾値エネルギーでは、パルス幅が数百ｆｓでかつ共振器長が１５ｃｍ以下の小型超短パルスモード同期レーザを実現することが困難であった。
そこで、本実施形態では、ソリトンモード同期と呼ばれるモード同期手法を用いることにより、モード同期閾値エネルギーを低下させ、数百ｆｓの超短パルス光を簡素かつ短共振器長の構成で実現することができるモード同期レーザ装置について説明する。
通常、数百ｆｓの超短パルス光を生成するためには、共振器内に共振器内の群速度分散を制御するための群速度補償素子が配置される。前述した図１７に示すモード同期レーザ装置では、４つのプリズムＰｒ１〜Ｐｒ４が群速度分散素子に相当する。半導体可飽和吸収ミラーを用いた場合においても、同様にプリズム等を用いて群速度分散を補償し、ソリトンモード同期を誘起することにより、数百ｆｓの超短パルス光を得ることができる。
前記非特許文献１によれば、このソリトンモード同期が誘起された状態においては、モード同期閾値エネルギーは上記（２）式で表わされる。この（２）式のモード同期閾値エネルギーは、上記（３）式の非ソリトンモード同期時におけるモード同期閾値エネルギーよりも小さい。すなわち、ソリトンモード同期を誘起する構成とすることにより、モード同期閾値エネルギーを低下させ、その分共振器長を短くすることが可能となり、コンパクトで高安定、低コストな超短パルスモード同期レーザが実現できる。
図２には、固体レーザ媒質やＳＥＳＡＭ等の各種パラメータに応じて定まるモード閾値エネルギー（≒共振器長）のグラフを示した。上記（２）式で表わされるソリトンモード同期におけるモード閾値エネルギーは、固体レーザ媒質やＳＥＳＡＭ等の各種パラメータに応じてモード閾値エネルギー曲線Ａで示すように変化する。また、上記（３）式で表わされる非ソリトンモード同期におけるモード閾値エネルギーは、固体レーザ媒質やＳＥＳＡＭ等の各種パラメータに応じてモード閾値エネルギー曲線Ｂで示すように変化する。
前述したように、モード閾値エネルギーを低くすれば、それだけ共振器長を短くすることができる。図２に示すように、ソリトンモード同期のモード閾値エネルギーは、非ソリトンモード同期のモード閾値エネルギーよりもかなり小さい。従って、本実施形態に係るモード同期レーザ装置では、共振器内のパルスエネルギーが、ソリトンモード同期のモード閾値エネルギー曲線Ａ以上で且つ非ソリトンモード同期のモード閾値エネルギー曲線Ｂ未満の領域Ｃの範囲内となるようにモード同期レーザ装置の各種パラメータが設定される。従来のモード同期レーザでは、共振器内のパルスエネルギーがモード閾値エネルギー曲線Ｂ以上の領域Ｄの範囲となるようにしなければならないため、共振器長をそれほど短くすることができなかったが、本実施形態に係るモード同期レーザ装置では、共振器内のパルスエネルギーが領域Ｃの範囲内となるようにモード同期レーザ装置の各種パラメータが設定されるため、共振器長を短くすることができる。
以下、本実施形態に係るモード同期レーザ装置の具体的な構成について説明する。
図１には、本実施形態に係るモード同期レーザ装置１０の概略構成を示した。同図に示すように、半導体レーザ１２、非球面レンズ１４、シリンドリカルレンズ１６、１８、ダイクロイックミラー２０、集光レンズ２２、共振器ミラー２４、固体レーザ媒質２６、ＳＥＳＡＭ２８、及び負分散ミラー３０を含んで構成されている。
なお、半導体レーザ１２、非球面レンズ１４、シリンドリカルレンズ１６、１８、ダイクロイックミラー２０、及び集光レンズ２２により励起光学系３２が構成される。
また、共振器ミラー２４、ＳＥＳＡＭ２８、及び負分散ミラー３０により共振器３４が構成され、この共振器３４の内部に固体レーザ媒質２６が配置される。なお、共振器３４の共振器長は、上記（１）式を満たすように設定される。
半導体レーザ１２は、例えばオプトエナジー社製、波長９８０ｎｍ、発光幅５０μｍ、最大出力２．５Ｗの半導体レーザを用いることができる。
半導体レーザ１２から出射された励起光は、非球面レンズ１４、シリンドリカルレンズ１６、１８によりコリメートされる。
コリメートされた励起光は、ダイクロイックミラー２０を透過し、例えば焦点距離が４０ｍｍの集光レンズ２２により、一例としてＹｂ：ＫＹＷから成る固体レーザ媒質２６に集光される。
このような構成の励起光学系３２により、固体レーザ媒質２６内に一例として直径８２μｍ×３４μｍの励起ビームスポットを形成することができる。固体レーザ媒質２６は、励起光学系３２からの励起光が集光されることにより励起する。
励起光学系３２内に配置されたダイクロイックミラー２０は、一例として一方の面に９８０±５ｎｍの波長の光に対して反射率が２％以下の反射防止コーティングが施されており、他方の面に９８０±５ｎｍの波長の光に対して反射率が５％以下、１０４５±１０ｎｍの波長の光に対して反射率が９８％以上のダイクロイックコーティングが施されている。
共振器ミラー２４は、一方の面が平面であり、他方の面が一例として曲率半径５０ｍｍの凹面となっている。平面側には一例として９８０±５ｎｍ及び１０４５±１０ｎｍの波長の光に対して反射率が２％以下の反射防止コーティングが施されており、凹面側には、一例として９８０±５ｎｍの波長の光に対して反射率が５％以下であり、１０４５±１０ｎｍの波長の光に対して反射率が９９．３％のダイクロイックコーティングが施されている。
共振器ミラー２４は、共振器３４の出力ミラーとしての機能を有し、その透過率は、共振器内部のパワーを上げるために５％以下にすることが好ましい。また、半導体レーザ１２単体により励起し且つ短共振器長の構成とした場合、モード同期を誘起するには透過率は３％以下にすることが好ましい。さらに、非線形光学応用に必要とされる数１０Ｗのパルス光を得ようとする場合は、０．１％以上とすることが好ましい。
固体レーザ媒質２６は、Ｙｂ：ＫＹＷから成り、一例としてＹｂの添加濃度が５％であり、厚みが１．５ｍｍのＹｂ：ＫＹＷを用いることができる。また、固体レーザ媒質２６の両端面には、一例として１０４５±１０ｎｍの波長の光に対して反射率が０．２％以下の反射防止コーティングが施されている。
また、数百ｆｓのパルス幅のパルス光を得るには、１ｎｍ以上の波長帯域が必要であり、そのような帯域を有する固体レーザ媒質２６の誘導放出断面積は、５×１０−１９ｃｍ２以下とすることが好ましい。また、モード同期閾値エネルギーを越えるパルスエネルギーを得るには、すなわち十分は発振効率を得るには、固体レーザ媒質２６の誘導放出断面積は、１×１０−２１ｃｍ２以上とすることが好ましい。
ＳＥＳＡＭ２８は、一例としてＢＡＴＯＰ社製の１０４０ｎｍの波長の光に対して変調深さ（ΔＲ）が０．５％、飽和フルーエンス（Ｆｓａｔ，Ｓ）が９０μＪ／ｃｍ２のものを用いることができる。
なお、ソリトンモード同期を誘起するためには、ＳＥＳＡＭ２８の変調深さは０．５％以上で且つ飽和フルーエンスを２００μＪ／ｃｍ２以下にする必要がある。また、ＳＥＳＡＭ２８の破壊を防止するためには、変調深さが５％以下で且つ飽和フルーエンスが５０μＪ／ｃｍ２以上である必要がある。
負分散ミラー３０は、共振器内の群速度分散を補償するためのミラーであり、一例として分散量が−１２７０ｆｓ２のレイヤーテック社製のものを用いることができる。また、固体レーザ媒質２６で、数百ｆｓ以下のパルス光を得るために必要な分散量は、０〜−３０００ｆｓ２であり、さらに１００ｆｓ以下のパルス幅を得るのに必要な分散量は０〜−１０００ｆｓ２である。
モード同期レーザ装置１０における共振器はＶ型の構造、すなわちＳＥＳＡＭ２８、共振器ミラー２４、負分散ミラー３０がＶ字状となるように配置された構造である。
集光レンズ２２を透過した光は、共振器ミラー２４によって固体レーザ媒質２６及びＳＥＳＡＭ２８に集光され、ＳＥＳＡＭ２８から反射された光は、再び固体レーザ媒質２６を透過し、共振器ミラー２４により平行光となって負分散ミラー３０へ折返される。
共振器ミラー２４の凹面側から負分散ミラー３０までの距離は一例として６０ｍｍであり、共振器ミラー２４の凹面側からＳＥＳＡＭ２８の端面までの距離は一例として２５ｍｍとなっている。このような共振器構造により、固体レーザ媒質２６及びＳＥＳＡＭ２８の端面上に直径６０μｍの発振ビームスポットを形成することができる。
なお、モード同期レーザ装置は、小型化することにより、部品点数の削減により低コストとすることができると共に、共振器長や共振器ミラーの位置変動による出力変動を最小に抑制することができ、高い安定性を実現できる。このため、共振器長は１５０ｍｍ以下とすることにより安定度を高めることができ、好ましくは７５ｍｍ以下とすることによりさらに安定度を高めることができる。
固体レーザ媒質２６及びＳＥＳＡＭ２８上での発振ビームスポット径を小さくすれば、モード同期閾値が低下し、モード同期を掛けやすくなるが、小さくしすぎると、光密度が高くなりＳＥＳＡＭ２８の破壊が生じることや、共振器を構成する光学部品の環境変動による機械的変動に対する出力の変動が大きくなる等の問題が生じる。そのため、前記発振ビームスポット径は直径３０μｍ以上にすることが好ましい。ただし、スポット径を大きくしすぎるとモード同期閾値が急激に大きくなり、モード同期がかからなくなるため、スポット径を直径２００μｍ以下にすることが好ましい。
共振器３４の共振器ミラー２４から出射された光は、集光レンズ２２を透過し、ダイクロイックミラー２０によって図１において矢印方向に反射され、超短パルス光として外部へ出射される。
図３には、モード同期レーザ装置１０から出射されたパルス光のパルス列時間波形をアジレント社製サンプリングオシロスコープで計測した波形を、図４には、モード同期レーザ装置１０から出射されたパルス光をオートコリレータにより計測した単一のパルス波形を示した。図３に示すように、パルスの繰返し間隔は、全共振器長に略一致する５６５ｐｓとなっており、かつ図４に示すように、パルス幅も３７８ｆｓとフェムト秒クラスに達していることがわかる。
この時の共振器ミラー２４から出力されたパルス光の平均出力は、励起出力２２００ｍＷに対して６３ｍＷであり、共振器３４内のパルスエネルギーは５ｎＪである。上記（３）式をモード同期レーザ装置１０に適用した場合、モード同期閾値エネルギーは４７ｎＪとなり、共振器長を約１０倍、すなわち８５０ｍｍ程度に伸長しなければモード同期がかからないことになる。
しかしながら、負分散ミラー３０によりソリトンモード同期を誘起し、モード同期閾値エネルギーを低下させることによって、単一半導体レーザの励起出力でも数十ｍｍの短共振器化が可能となり、また、小型且つシンプルな構造の低コストの超短パルスモード同期レーザを構成できる。
なお、共振器ミラー２４から出力されるパルス光の平均出力が１０Ｗを越えれば、ソリトンモード同期でなくともモード同期を誘起することができる。また、非線形光学応用には、数１０Ｗのピークパワーが必要とされ、共振器ミラー２４から出力されるパルス光の平均出力としては０．１ｍＷ以上が必要とされる。このため、共振器ミラー２４から出力されるパルス光の平均出力が、０．１ｍＷ以上で且つ１０Ｗ以下とする必要がある。ちなみに、現在の１つの半導体レーザで得られる最大励起出力を用いた場合の最大発振出力は５Ｗ程度であり、生体材料等に非線形効果を誘起可能なピークパワー１ｋＷを得るのに必要な平均出力は１０ｍＷ以上である。
なお、本実施形態では、固体レーザ媒質２６にＹｂが添加されたレーザ結晶を用いた場合について説明したが、固体レーザ媒質はこれに限らず、Ｃｒ３＋添加の固体レーザ媒質（Ａｌｅｘａｎｄｒｉｔｅ（Ｃｒ：ＢｅＡｌ２Ｏ４）、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ（ＬｉＳｒＡｌＦ６）、Ｃｒ：ＬｉＳＧＡＦ（ＬｉＳｒＧａＦ６）、Ｃｒ：ＬｉＣＡＦ（ＬｉＣａＡｌＦ６））を用いてもよい。これらの固体レーザ媒質を用いることにより波長が７００〜１０００ｎｍの超短パルス光を得ることができる。
また、Ｃｒ４＋添加の固体レーザ媒質（Ｃｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅ（Ｍｇ２ＳｉＯ４）、Ｃｒ：ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）、Ｃｒ：Ｃａ２ＧｅＯ４）を用いてもよい。これらの固体レーザ媒質を用いることにより、波長が１２００〜１５５０ｎｍの超短パルス光を得ることができる。
さらに、この他には、固体レーザ媒質としては、Ｙｂ：ＫＧＷ（ＫＧｄ（ＷＯ４）２）、Ｙｂ：ＫＹＷ（ＫＹ（ＷＯ４）２）、Ｙｂ：ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）、Ｙｂ：Ｙ２Ｏ３、Ｙｂ：Ｓｃ２Ｏ３、Ｙｂ：Ｌｕ２Ｏ３、Ｙｂ：ＧｄＣＯＢ（Ｃａ４ＧｄＯ（ＢＯ３）３）、Ｙｂ：ＳＹＳ（ＳｒＹ４（ＳｉＯ４）３）、Ｙｂ：ＢＯＹＳ（Ｓｒ３Ｙ（ＢＯ３）３）、Ｙｂ：ＹＶＯ４、Ｙｂ：ＧｄＶＯ４、Ａｌｅｘａｎｄｒｉｔｅ（Ｃｒ：ＢｅＡｌ２Ｏ４）、Ｔｉ：Ａｌ２Ｏ３、Ｎｄ：Ｇｌａｓｓ、及びＥｒ：Ｙｂ：Ｇｌａｓｓ等を用いることができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、共振器を構成する一対の共振器ミラーが直線上に配置された構造のモード同期レーザ装置について説明する。
図５には、第２実施形態に係るモード同期レーザ装置４０の概略構成を示した。同図に示すように、モード同期レーザ装置４０は、半導体レーザ４２、セルフォックレンズ４４、ダイクロイックミラー４６、負分散ミラー４８、固体レーザ媒質５０、及びＳＥＳＡＭ５２を含んで構成されている。
なお、半導体レーザ４２及びセルフォックレンズ４４により励起光学系５４が構成される。
また、直線上に配置された負分散ミラー４８及びＳＥＳＡＭ５２により共振器５６が構成され、この共振器５６内部にダイクロイックミラー４６及び固体レーザ媒質５０が配置される。なお、共振器５６の共振器長は、上記（１）式を満たすように設定される。
半導体レーザ４２は、図１に示したモード同期レーザ装置１０の半導体レーザ１２と同様である。
セルフォックレンズ４４、一例として旭硝子社製の波長が９８０±５ｎｍの光に対して反射率が２％以下の反射防止コーティングが施されている。
半導体レーザ４２から出射された励起光は、セルフォックレンズ４４により集光され、ダイクロイックミラー４６によって固体レーザ媒質５０の方向に反射される。
負分散ミラー４８は、図１に示したモード同期レーザ装置１０の負分散ミラー３０と同様に共振器５６内の群速度分散を補正する機能を有し、かつ発振光に対してある程度の透過率を有する出力ミラーである。
負分散ミラー４８の一方の面は凹面状となっており、曲率半径は一例として５０ｍｍである。また、凹面側には、波長が１０４５±１０ｎｍの光に対して透過率が１％であり、群速度分散量が−１０００ｆｓ２の高反射負分散コーティングが施されている。
また、負分散ミラー４８の他方の面は平面状となっており、波長が１０４５±１０ｎｍの光に対して０．２％以下の反射率を有する反射防止コーティングが施されている。
ＳＥＳＡＭ５２は、一例としてＢＡＴＯＰ社製の変調深さ（ΔＲ）が０．５％、飽和フルーエンス（Ｆｓａｔ，Ｓ）が１２０μＪ／ｃｍ２のものを用いることができる。ＳＥＳＡＭ５２は、一例として負分散ミラー４８の出力ミラーとして機能する平面側から一例として略５０ｍｍの位置に配置されている。
固体レーザ媒質５０は、Ｙｂ：ＫＹＷから成り、図１に示したモード同期レーザ装置１０の固体レーザ媒質２６と同様である。
ダイクロイックミラー４６は、一例として波長が９８０±５ｎｍの光に対して９５％以上の反射率を有し、波長が１０４５±１０ｎｍの光に対して反射率が０．２％以下の反射率を有するダイクロイックコーティングが施されている。
図６には、モード同期レーザ装置４０から出射されたパルス光のＲＦスペクトルアナライザで計測したパルスの繰返し周波数とスペクトル強度との関係を示すグラフを示した。
また、図７には、その時のパルス波形をオートコリレータにより計測した結果を示した。図６に示すように、パルスの繰返し周波数は、機械的共振器長（ＳＥＳＡＭ５２から負分散ミラー４８の平面側までの長さであり、結晶の屈折率は考慮していない）５０ｍｍに略一致する２．８５ＧＨｚとなっており、このような短い共振器長であっても、パルス幅３１５ｆｓの超短パルス光を得ることができた。そして、この時の出力は、励起光の出力２３５０ｍＷに対して４６０ｍＷであり、共振器５６内部のパルスエネルギーは１６ｎＪであり、上記（３）による非ソリトンモード同期におけるモード同期閾値パルスエネルギーは５５ｎＪである。すなわち、本実施形態に係るモード同期レーザ装置４０のようにソリトンモード同期を誘起する構成とすることにより、共振器５６内部のパルスエネルギーが非ソリトンモード同期におけるモード同期閾値パルスエネルギーより低くても、モード同期を誘起することができ、その結果共振器長を短くすることが可能となる。これにより、図１に示したモード同期レーザ装置１０よりも、さらに共振器長を短くすることができ、手のひらサイズで低コストの超短パルスモード同期レーザが実現できる。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。第３実施形態では、第２実施形態で説明したモード同期レーザ装置４０を用いた非線形光学顕微装置について説明する。
図８には、本実施形態に係る非線形光学顕微装置６０の概略構成を示した。同図に示すように、非線形光学顕微装置６０は、モード同期レーザ装置４０、コリメートレンズ６２、ガルバノミラー６４、ダイクロイックミラー６６、Ａｕミラー６８、対物レンズ７０、フィルター７２、集光レンズ７４、及びＰＭＴ７６を含んで構成されている。
モード同期レーザ装置４０から出射された一例として１０４５ｎｍのパルス光は、コリメートレンズ６２によりコリメートされ、ガルバノミラー６４によりダイクロイックミラー６６の方へ反射される。
ダイクロイックミラー６６は、近赤外光を反射すると共に可視光を透過する機能を有する。ガルバノミラー６４からのパルス光は、ダイクロイックミラー６６によってＡｕミラー６８の方へ反射される。
Ａｕミラー６８は、ダイクロイックミラー６６からのパルス光を、一例としてＮＡが０．７５の対物レンズ７０の方へ反射させる。
対物レンズ７０は、入射した光を試料７８上に集光する。試料７８からの蛍光は対物レンズ７０を透過してＡｕミラー６８によりダイクロイックミラー６６の方へ反射される。そして、ダイクロイックミラー６６を透過した蛍光は、近赤外光をカットするフィルター７２を透過し、集光レンズ７４によってＰＭＴ（Ｐｈｏｔｏ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ Ｔｕｂｅ）７６に集光され検出される。
このような構成の非線形光学顕微装置６０では、ガルバノミラー６４を所定方向に走査しながら、試料７８上の各点での２光子吸収による蛍光強度を検出することにより、画像を取得することができる。図９には、緑色の波長帯域に吸収ピークを持つ蛍光色素で染色されたホエジカの皮膚線維芽細胞（ＦｌｕｏＣｅｌｌｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｓｌｉｄｅ＃６：Ｆ３６９２５）を試料として、非線形光学顕微装置６０により取得した画像を示した。同図に示すように、試料として蛍光染色したものを使用し、２光子吸収による蛍光を検出しているが、コラーゲン等の非蛍光染色サンプルにおいても、コラーゲンからのＳＨ（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ）光を検出し、画像化することができた。
本実施形態に係る非線形光学顕微装置６０のように、第２実施形態で説明した安価かつ小型のモード同期レーザ装置４０を用いることにより、２光子またはＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）顕微画像を取得可能な安価かつ小型な非線形光学顕微装置を実現することができる。また、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅモード同期レーザを光源に使用した非線形光学顕微装置は、光源のサイズが大きいため、実験定盤上に組み立てて用いるのが通常であるが、本実施形態に係る非線形光学顕微装置６０のように光源として小型のモード同期レーザ装置４０を用いることにより、持ち運び可能な非線形光学顕微装置を実現できる。
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態では、第２実施形態で説明したモード同期レーザ装置４０を用いた超短パルス光源装置について説明する。
図１０には、本第実施形態に係る超短パルス光源装置８０を示した。同図に示すように、超短パルス光源装置８０は、第２実施形態で説明したモード同期レーザ装置４０、集光レンズ８２、非線形結晶としてのＰＰＫＴＰ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ ＫＴｉＯＰＯ４）８４、及びフィルター８６を含んで構成されている。
モード同期レーザ装置４０から出射されたパルス光は、一例として焦点距離が６ｍｍの集光レンズ８２により、一例として長さが４．８ｍｍのＰＰＫＴＰに集光される。これにより、ＰＰＫＴＰ８４により半波長（一例として５２２ｎｍ）の光が発生される。この光は、近赤外光をカットするフィルター８６を透過し、これにより緑色超短パルス光が得られる。
なお、ＰＰＫＴＰ８４の反転ドメイン周期は、一例として基本波１０４５ｎｍに合わせた周期となっている。
このような構成の超短パルス光源装置８０により、平均出力５０ｍＷ、パルス幅７００ｆｓ、波長５２２ｎｍの緑色超短パルスを得ることができた。図１１、１２には、超短パルス光源装置８０から出射された緑色超短パルスの波形を示した。
なお、本実施形態では、基本波の光源としてＹｂ添加の固体レーザ媒質を用いたモード同期レーザ装置４０を用いた場合について説明したが、Ｃｒ添加の固体レーザ媒質を用いたモード同期レーザ装置及び各種非線形結晶を用いることにより、波長が３５０〜７００ｎｍの可視波長領域の超短パルス光を得ることができる。
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態では、第４実施形態で説明した超短パルス光源装置８０を用いた記録装置について説明する。
図１３には、本実施形態に係る記録装置９０の概略構成を示した。同図に示すように、記録装置９０は、第４実施形態で説明した可視領域の波長の光を出射する超短パルス光源装置８０、レンズ９２Ａ〜９２Ｇ、ダイクロイックビームスプリッター９４Ａ、９４Ｂ、ハーフビームスプリッター９６、読み出し用光源９８、フォトダイオード１００Ａ、１００Ｂ、及びピンホール１０２Ａ、１０２Ｂを含んで構成されている。記録装置９０は、光ディスク１０６に情報を書き込んだり、光ディスク１０６に記録された情報を読み取る。
超短パルス光源装置８０から出射されるパルス光は、光ディスク１０６の書き込み用に用いられる。超短パルス光源装置８０から出射された書込み用パルス光は、レンズ９２Ａを透過してダイクロイックビームスプリッター９４Ａによってハーフビームスプリッター９６の方へ反射し、ハーフビームスプリッター９６を透過してレンズ９２Ｃにより光ディスク１０６上に集光される。
光ディスク１０６は、図示しない駆動手段によりパルス光の集光方向に移動可能となっており、焦点位置を集光方向に変化させることができる。
光ディスク１０６上に集光された書込み用パルス光の戻り光は、ハーフビームスプリッター９６によってダイクロイックビームスプリッター９４Ｂの方へ反射され、ダイクロイックビームスプリッター９４Ｂを透過後に、レンズ９２Ｄ、９２Ｅ、及びピンホール１０２Ａから成る共焦点光学系を通過し、フォトダイオード１００Ａにより検出される。
フォトダイオード１００Ａは、受光した光を電圧に変換して図示しない制御手段に出力する。制御手段は、フォトダイオード１００Ａからの検出電圧をモニターしながら、書込み用パルス光の光ディスク１０６上における焦点位置を補正する。
読出し用光源９８は、一例として波長が４０５ｎｍのレーザ光を出力する半導体レーザを用いることができるが、書込み用パルス光と異なる波長の光を出力する第４実施形態で説明した超短パルス光源装置８０を用いてもよい。
読出し用光源９８から出射されたパルス光は、レンズ９２Ｂ、ダイクロイックビームスプリッター９４Ａ、ハーフビームスプリッター９６、レンズ９２Ｃを透過後、光ディスク１０６上に集光される。光ディスク１０６上に集光された読出し用パルス光の戻り光又は読出し用パルス光によって励起された蛍光は、レンズ９２Ｃを透過後、ハーフビームスプリッター９６によってダイクロイックビームスプリッター９４Ｂの方へ反射され、レンズ９２Ｆ、９２Ｇ、及びピンホール１０２Ｂから成る共焦点光学系を通過し、フォトダイオード１００Ｂにより検出される。
なお、本実施形態では、読出しに蛍光を検出しているが、屈折率変化による読出し光の強度変化を検出するようにしてもよい。
このように、第４実施形態で説明した超短パルス光源装置８０を用いることにより、低コストなデスクトップサイズＰＣに適用可能な記録装置を実現することができる。また、第４実施形態で説明した超短パルス光源装置８０に用いられている第２実施形態で説明したモード同期レーザ装置４０は、繰返し周波数が２．８５ＧＨｚと高いため、高い転送レートでの書込みが可能となる。
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について説明する。本実施形態では、第２実施形態で説明したモード同期レーザ装置４０を用いた広帯域光源装置について説明する。
図１４には、本実施形態に係る広帯域光源装置１１０の概略構成を示した。同図に示すように、広帯域光源装置１１０は、第２実施形態で説明したモード同期レーザ装置４０、コリメートレンズ１１２、集光レンズ１１４、及び非線形ファイバー１１６を含んで構成されている。
モード同期レーザ装置４０は、一例としてパルス幅が２１０ｆｓ、平均出力６００ｍＷのパルス光を出射し、このパルス光は、一例として焦点距離ｆが１００ｍｍのコリメートレンズ１１２によりコリメートされ、一例として焦点距離ｆが６．２ｍｍの集光レンズ１１４により、一例としてクリスタルファイバー社製の非線形ファイバー（ＳＣ−５．０−１０４０）に結合される。
このような構成の広帯域光源装置１１０により、一例として図１５に示すような平均出力２００ｍＷ、波長帯域２００ｎｍの高出力広帯域光が得られる。このように、小型且つ低コストのモード同期レーザ装置４０を用いることにより、小型且つ低コストの広帯域光源装置が得られる。
（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態について説明する。本実施形態では、第６実施形態で説明した広帯域光源装置１１０を用いた光コヒーレントトモグラフィ装置について説明する。
図１６には、本実施形態に係る光コヒーレントトモグラフィ（ＯＣＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）装置１２０の概略構成を示した。同図に示すように、光コヒーレンストモグラフィ装置１２０は、第６実施形態で説明した広帯域光源装置１１０、レンズ１２２Ａ〜１２２Ｃ、ハーフビームスプリッター１２４、ガルバノミラー１２６、広帯域反射ミラー１２８、及びフォトダイオード１３０を含んで構成されている。
広帯域光源装置１１０から出射された広帯域光は、レンズ１２２Ａによってコリメートされた後、ハーフビームスプリッター１２４により、一部の光は広帯域反射ミラー１２８側に反射され、その他の光はガルバノミラー１２６側に透過する。
ガルバノミラー１２６側に透過された光は、ガルバノミラー１２６によってレンズ１２２Ｂ側に反射され、レンズ１２２Ｂにより試料１３２上に集光される。
試料１３２からの戻り光及び広帯域反射ミラー１２８からの反射光は、ハーフビームスプリッター１２４において合波及び干渉され、その一部の光がレンズ１２２Ｃによってフォトダイオード１３０上に集光され検出される。
ガルバノミラー１２６を試料１３２の面方向に走査すると共に、試料１３２を広帯域光の集光方向に移動させ且つこれと同時に広帯域反射ミラー１２８を広帯域光の照射方向（図中矢印方向）に移動させ、ハーフビームスプリッター１２４により合波された光の干渉強度を検出することにより、試料１３２の３次元像を取得することができる。
このように、第６実施形態で説明した小型の広帯域光源装置１１０を用いることにより、小型かつ低コストの超高分解能の光コヒーレンストモグラフィ装置を構成することが可能となる。このようなポータビリー性の高い小型の光コヒーレンストモグラフィ装置は、例えば手術現場等での病理診断に用いることができる他、家庭用としても使用することが可能となる。
第１実施形態に係るモード同期レーザ装置の概略構成図である。 固体レーザ媒質やＳＥＳＡＭ等の各種パラメータとモード閾値エネルギーとの関係を示すグラフである。 パルス列時間波形の一例を示す波形図である。 単一のパルス波形を示す波形図である。 第２実施形態に係るモード同期レーザ装置の概略構成図である。図である。 パルスの繰り返し周波数とスペクトル強度との関係を示すグラフである。 パルス波形の一例を示す図である。 第３実施形態に係る非線形光学顕微装置の概略構成図である。 非線形光学顕微装置により取得した試料の画像を示す図である。 第４実施形態に係る超短パルス光源装置の概略構成図である。 超短パルス光の波形を示す波形図である。 超短パルス光の波形を示す波形図である。 第５実施形態に係る記録装置の概略構成図である。 第６実施形態に係る広帯域光源装置の概略構成図である。 広帯域光源装置で出力された広帯域光の波形図である。 第７実施形態に係る光コヒーレンストモグラフィ装置の概略構成図である。 従来例に係るモード同期レーザ装置の構成図である。 従来例に係るモード同期レーザ装置の構成図である。
符号の説明
１０、４０ モード同期レーザ装置
１２ 半導体レーザ
１４ 非球面レンズ
１６ シリンドリカルレンズ
２０ ダイクロイックミラー
２２ 集光レンズ
２４ 共振器ミラー
２６ 固体レーザ媒質
３０ 負分散ミラー
３２ 励起光学系
３４ 共振器
６０ 非線形光学顕微装置
８０ 超短パルス光源装置
９０ 記録装置
１０６ 光ディスク
１１０ 広帯域光源装置
１２０ 光コヒーレンストモグラフィ装置

Claims (20)

  1. 共振器と、
    前記共振器内に配置され、励起光が入射されることにより発振光を出力する固体レーザ媒質と、
    前記共振器内に配置され、ソリトンモード同期を誘起するための可飽和吸収体と、
    前記共振器内に配置され、前記共振器内の群速度分散を制御するための群速度分散補償素子と、
    前記励起光を前記固体レーザ媒質に入射させる励起手段と、
    を備え、
    前記共振器の共振器長が、ソリトンモード同期が誘起可能な共振器長以上で且つ非ソリトンモード同期が誘起可能な共振器長未満である
    モード同期レーザ装置。
  2. 前記共振器長が、下記（１）式を満たす
    請求項１記載のモード同期レーザ装置。
    ここで、Ｌは共振器長、ｃは光の速度、Ｅｃ，ｐ．ｓは下記（２）式で表わされるソリトンモード同期時のモード同期閾値エネルギー、Ｔは前記発振光が出力される側の光学部材の透過率、Ｐｏｕｔは固体レーザ媒質から出力される発振光の所望の平均出力、Ｅｃ，ｐは下記（３）式で表わされる非ソリトンモード同期時のモード同期閾値エネルギーである。
    ここで、Ｅｓａｔ，ＬはＦｓａｔ，Ｌ×ＡＬで表わされ、Ｆｓａｔ，Ｌは固体レーザ媒質の飽和フルーエンス、ＡＬは固体レーザ媒質中での発振光のビーム半径である。ｇは固体レーザ媒質の利得、ｎ２は固体レーザ媒質の非線形屈折率、ＬＫは固体レーザ媒質長、Ｄ２は共振器内の負分散量、λｏは発振光の中心波長、Δνｇは発振光の帯域幅、Ｆｓａｔ，Ｓは可飽和吸収体の飽和フルーエンス、ＡＳは可飽和吸収体中での発振光のビーム半径、ΔＲは可飽和吸収体の変調深さである。
  3. 前記共振器長が、１５０ｍｍ以下である
    請求項１又は請求項２記載のモード同期レーザ装置。
  4. 前記共振器長が、７５ｍｍ以下である
    請求項３記載のモード同期レーザ装置。
  5. 前記固体レーザ媒質の誘導放出断面積が、１×１０−２１ｃｍ２以上で且つ５×１０−１９ｃｍ２以下である
    請求項１〜請求項４の何れか１項に記載のモード同期レーザ装置。
  6. 前記固体レーザ媒質が、Ｙｂ：ＫＧＷ（ＫＧｄ（ＷＯ４）２）、Ｙｂ：ＫＹＷ（ＫＹ（ＷＯ４）２）、Ｙｂ：ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）、Ｙｂ：Ｙ２Ｏ３、Ｙｂ：Ｓｃ２Ｏ３、Ｙｂ：Ｌｕ２Ｏ３、Ｙｂ：ＧｄＣＯＢ（Ｃａ４ＧｄＯ（ＢＯ３）３）、Ｙｂ：ＳＹＳ（ＳｒＹ４（ＳｉＯ４）３）、Ｙｂ：ＢＯＹＳ（Ｓｒ３Ｙ（ＢＯ３）３）、Ｙｂ：ＹＶＯ４、Ｙｂ：ＧｄＶＯ４、Ａｌｅｘａｎｄｒｉｔｅ（Ｃｒ：ＢｅＡｌ２Ｏ４）、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ（ＬｉＳｒＡｌＦ６）、Ｃｒ：ＬｉＳＧＡＦ（ＬｉＳｒＧａＦ６）、Ｃｒ：ＬｉＣＡＦ（ＬｉＣａＡｌＦ６）、Ｃｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅ（Ｍｇ２ＳｉＯ４）、Ｃｒ：ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）、Ｃｒ：Ｃａ２ＧｅＯ４、Ｔｉ：Ａｌ２Ｏ３、Ｎｄ：Ｇｌａｓｓ、及びＥｒ：Ｙｂ：Ｇｌａｓｓの何れかである
    請求項５記載のモード同期レーザ装置。
  7. 前記共振器内の負分散量が−３０００ｆｓ２以上で且つ０ｆｓ２以下である
    請求項１〜請求項６の何れか１項に記載のモード同期レーザ装置。
  8. 前記共振器内の負分散量が−１０００ｆｓ２以上で且つ０ｆｓ２以下である
    請求項７記載のモード同期レーザ装置。
  9. 前記発振光が出力される側の光学部材の透過率が、０．１％以上で且つ５％以下である
    請求項２〜請求項８の何れか１項に記載のモード同期レーザ装置。
  10. 前記透過率が、０．１％以上で且つ３％以下である
    請求項９記載のモード同期レーザ装置。
  11. 前記可飽和吸収体の変調深さが０．５％以上で且つ５％以下であり、前記可飽和吸収体の飽和フルーエンスが５０μＪ／ｃｍ２以上で且つ２００μＪ／ｃｍ２以下である
    請求項２〜請求項１０の何れか１項に記載のモード同期レーザ装置。
  12. 前記平均出力が０．１ｍＷ以上で且つ１０Ｗ以下である
    請求項２〜請求項１１の何れか１項に記載のモード同期レーザ装置。
  13. 前記平均出力が０．１ｍＷ以上で且つ５Ｗ以下である
    請求項１２記載のモード同期レーザ装置。
  14. 前記共振器が、直線上に配置された一対の共振器ミラーから成る
    請求項１〜請求項１３の何れか１項に記載のモード同期レーザ装置。
  15. 前記可飽和吸収体が、半導体可飽和吸収ミラーである
    請求項１〜請求項１４の何れか１項に記載のモード同期レーザ装置。
  16. 前記請求項１〜請求項１５の何れか１項に記載のモード同期レーザ装置と、
    前記モード同期レーザ装置からのパルス光を試料に集光する第１の集光光学系と、
    前記試料からの蛍光を集光する第２の集光光学系と、
    前記第２の集光光学系により集光された蛍光を検出する検出手段と、
    を備えた非線形光学顕微装置。
  17. 前記請求項１〜請求項１５の何れか１項に記載のモード同期レーザ装置と、
    非線形結晶と、
    前記モード同期レーザ装置からのパルス光を前記非線形結晶に集光する集光レンズと、
    前記非線形結晶を透過した光のうち近赤外光をカットして可視波長帯域の超短パルス光を透過させるフィルタと、
    を備えた超短パルス光源装置。
  18. 前記請求項１７記載の超短パルス光源装置と、
    前記超短パルス光源装置からの超短パルス光を書き込み光として記録媒体に集光する集光光学系と、
    を備えた記録装置。
  19. 前記請求項１〜請求項１５の何れか１項に記載のモード同期レーザ装置と、
    非線形光ファイバーと、
    前記モード同期レーザ装置からのパルス光を前記非線形ファイバーに集光させる集光レンズと、
    を備えた広帯域光源装置。
  20. 前記請求項１９記載の広帯域光源装置と、
    前記広帯域光源装置からの光を所定方向へ反射する反射手段と、
    前記広帯域光源装置からの光を試料に集光する集光光学系と、
    前記集光光学系により集光される光と前記試料とを相対移動させる移動手段と、
    前記反射手段により反射された光と前記試料からの戻り光との干渉光を検出する検出手段と、
    を備えた光コヒーレンストモグラフィ装置。
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