JP2014003262A - 異方性レーザー結晶を用いたレーザー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】異方性レーザー結晶を用いたレーザー装置においてパルスの時間幅を短くし、ビームの品質、平均出力、及びパルスエネルギーを向上する。
【解決手段】チャープパルス増幅技術を用いてレーザーパルス出力を増幅する。増幅器１３は複数の異方性レーザー結晶を有し、当該異方性レーザー結晶を用いて相異なる利得スペクトル分布を結合する方式でスペクトルバンド幅を広げてさらに短いフェムト秒パルスを発生させ、レーザービームが複数の異方性レーザー結晶にて熱的特性の異なる軸方向に進行することにより熱的効果を分散させるレーザー共振器を含む。
【選択図】図７

Description

本発明は、異方性レーザー結晶を用いたレーザー装置に関するものであって、より詳細には、レーザー出力パワーの向上、パルス幅の低減、パルスビームの品質改善などにより、レーザーダイオードで光ポンピングするフェムト秒レーザーシステムを実現できる異方性レーザー結晶を用いたレーザー装置に関する。

フェムト秒レーザーパルス（ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ（ｆｓ） ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅ）のような極超短レーザー光源は、高い尖頭出力の極超短パルス（ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ ｐｕｌｓｅ）を発生させ、パルスの平均出力も高いため、超高速分光化学、高エネルギー物理、ＸＵＶ−波の発生などの基礎科学分野で幅広く活用されているだけでなく、超微細レーザー加工、マイクロ手術などの様々な分野で応用されている。

通常、極超短レーザーパルスは、短いパルス時間幅、高い尖頭出力、及び広いスペクトルバンド幅などの優れた特性を有する。

このような極超短レーザーパルスを太陽電池、光メモリ、半導体、平板ディスプレイなどの高度な精密性を要求する電子部品及び光部品のマイクロまたはナノ加工などに応用できるため、産業用極超短パルスレーザーシステムの需要が増加しつつある。

前記需要を満たすために、先ず、極超短レーザーパルスを超微細レーザー加工に応用するための条件について説明する。

第１に、レーザーパルス時間幅は対象物質の電子−フォノン緩和時間（ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｐｈｏｎｏｎ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ）よりも非常に短いため、加工時、熱エネルギーが加工しようとする部位周辺に伝達されないようにする（非熱加工；ｎｏｎ−ｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）。

これを冷却アブレーション（ｃｏｌｄ ａｂｌａｔｉｏｎ）という。

例えば、アルミニウムの電子−フォノン緩和時間は４．２７ピコ秒（ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ：ｐｓ）、鉄は３．５ｐｓ、銅は５７．５ｐｓである。

すなわち、アルミニウムを超微細レーザー加工する場合、冷却アブレーションのためにはピコ秒以下のパルス時間幅でレーザーパルスを加えることが好ましい。

したがって、フェムト秒レーザーが冷却アブレーションの超微細レーザー加工に最も適するレーザーである。

フェムト秒領域の極超短レーザーパルスは、加工領域で熱拡散を最小化し、残留熱による損傷をその周囲に与えないため、機械的に加工し難い非常に固い物質も加工が可能である。また、パルス時間幅が短く、パルスエネルギーが高く、尖頭出力（ｐｅａｋ ｐｏｗｅｒ）が高いため、多光子吸収（ｍｕｌｔｉ−ｐｈｏｔｏｎ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）という非線形光学効果（ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｆｆｅｃｔ）により、ガラス、ポリマーなどの透明な材質も様々なｎｍスケールの超精密構造物の加工が可能となる。

第２に、加工しようとする対象物質は、約数Ｊ／ｃｍ^２以上のアブレーション閾値を有するが、アブレーション加工のために加工部位に集束されるレーザービームの大きさを考慮すると、約１０μＪ以上のパルスエネルギーが要求される。

物質加工の応用例では数百μＪのパルスエネルギーが要求される場合もある。

このような優れた特性を有する代表的なレーザーとしてチタニウムサファイアレーザー（Ｔｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅ ｌａｓｅｒ）がある。

現在、商業的に活用可能なチタニウムサファイアレーザーは約数〜数百フェムト秒のパルス時間幅、数ｍＪまたは数Ｊのパルスエネルギーを提供する。

しかし、既存にはＮｄ：ＹＶＯ_４レーザーのような高価の高出力パルス緑色レーザーをポンピング光源として使用しなければならなかったため、パルス繰り返し率を数十ｋＨｚ以上得ることが困難であった。

また、チタニウムサファイアレーザーは、システムの規模が大きく、高価で、パルス出力を安定的に維持し難いため、生産現場での活用が容易でないという問題がある。

一方、ダイオードポンピングされた固体レーザー（ｄｉｏｄｅ−ｐｕｍｐｅｄ ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ（ＤＰＳＳ）ｌａｓｅｒ）においては、レーザーダイオードのようにサイズが小さい光源をポンピング光源とし、固体レーザー媒質を用いてフェムト秒レーザーを構成することで、光ポンピング構造が簡単になってレーザーヘッドのサイズが小さくなり、また、商業的に様々な分野でよく活用される波長のレーザーダイオードはその出力に比して低価であるため、フェムト秒レーザーを値下げしてコストダウン効果をもたらす。

また、前記固体レーザーは、光ポンピング距離が短くて安定したレーザー動作が可能であるため、産業用レーザーへの適用に非常に好適なものである。

最近、半導体及び電子工学技術の向上により、非常に小さくて高効率で、安定した高出力が可能なレーザーダイオードアレイ、レーザーダイオードバーなどが開発されることで、ダイオードポンピングを用いた固体レーザーシステムの発展が急速に成長している。

このようなレーザーダイオードにおいて、光ポンピングするフェムト秒レーザーシステムを実現するためには、条件に合うレーザー媒質（ｌａｓｅｒ ｍａｔｅｒｉａｌ）またはレーザー結晶（ｌａｓｅｒ ｃｒｙｓｔａｌ）を選択し、これを効率的に光ポンピングするための光ポンピングモジュールの設計及び製作が必須である。

主に、ダイオードポンピングのためのレーザー媒質としては、それぞれ８０８ｎｍと９８０ｎｍ領域のレーザーダイオードでポンピング可能なネオジム（ｎｅｏｄｙｍｉｕｍ：Ｎｄ）とイッテルビウム（ｙｔｔｅｒｂｉｕｍ：Ｙｂ）のような希土類イオンをドーピングした結晶がよく使用されている。

高出力レーザーの発展段階において、初期にはネオジムをドーピングしたレーザー結晶が４レベル構造及び様々な吸収線を持っているため好まれてきたが、最近、さらに簡単なエネルギーレベルを有するイッテルビウムをドーピングした結晶が、熱的及び光学的にさらに優れた特性を見せるため、多く用いられている。

イッテルビウムをドーピングした媒質において、レーザー媒質としてよく用いられているものは、母媒質の形態に応じて非結晶媒質（ｎｏｎ−ｃｒｙｓｔａｌ ｍａｔｅｒｉａｌ）と結晶媒質（ｃｒｙｓｔａｌ ｍａｔｅｒｉａｌ）に分けられ、結晶媒質は再び等方性結晶（ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ）と、単軸結晶（ｕｎｉａｘｉａｌ ｃｒｙｓｔａｌ）及び２軸結晶（ｂｉａｘｉａｌ ｃｒｙｓｔａｌ）の異方性結晶とに分けられる。

代表的な非結晶媒質にはＹｂ：ｇｌａｓｓなどがあり、等方性結晶にはＹｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＳｃＯ、Ｙｂ：ＹＯ、Ｙｂ：ＬｕＯ、Ｙｂ：ＬｕＳｃＯ、Ｙｂ：ＣａＦなどがあり、単軸結晶にはＹｂ：ＣＡＬＧＯ、Ｙｂ：ＹＶＯ_４、Ｙｂ：ＮＧＷ、Ｙｂ：ＮＹＷ、Ｙｂ：ＬｕＶＯ、Ｙｂ：ＬＳＢ、Ｙｂ：Ｓ−ＦＡＰ、Ｙｂ：Ｃ−ＦＡＰなどがあり、２軸結晶にはＹｂ：ＫＹＷ、Ｙｂ：ＫＧＷ、Ｙｂ：ＫＬｕＷ、Ｙｂ：ＹＣＯＢなどがある。

その中、Ｙｂ：ＫＹＷ、Ｙｂ：ＫＧＷ、Ｙｂ：ＫＬｕＷのようにイッテルビウムがドーピングされた単斜晶系二重タングステン（ｍｏｎｏｃｌｉｎｉｃ ｄｏｕｂｌｅ ｔｕｎｇｓｔａｔｅｓ）は、優れたレーザー特性と熱的−機械的特性をもって高パルスエネルギーだけでなく、高平均出力を有するため、フェムト秒レーザー媒質への使用に非常に好適なものである。

特に、Ｙｂ：ＫＹＷまたはＹｂ：ＫＧＷレーザー結晶は、ほぼ同様の特性を持っており、イッテルビウムをドーピングした結晶の中でも大きい放射性及び吸収断面積、広い放射バンド幅などの特性を有することにより、２００フェムト秒以下のパルスを作ることができ、優れた熱伝導性を有するため、高平均出力のフェムト秒レーザーを作る場合に有利である。

このようなＹｂ：ＫＹＷまたはＹｂ：ＫＧＷは、電気的、光学的、機械的特性などが結晶の回転軸に対して対称を成しておらず、特定の軸方向に応じて異なる特性を示す異方性レーザー結晶（ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｌａｓｅｒ ｃｒｙｓｔａｌ）である。

特に、光学的特性に関連して屈折率、波長に対する吸収度及び放射度、熱伝導度及び熱膨張度などがレーザー結晶の軸方向に応じて異なるため、このような異方性結晶がレーザー媒質として用いられる場合、結晶の軸方向を適切に選択することが重要である。

フェムト秒レーザー光源を超微細レーザー加工などの産業現場で適用するためには、必要な条件がある。

例えば、レーザーのパルス繰り返し率が低い場合、レーザー加工に時間がかかるため、生産現場の生産性が低下する。

したがって、レーザーのパルス繰り返し率が高い方が良いが、パルス繰り返し率を高めることには制約がある。

もし、パルス繰り返し率が高すぎてフェムト秒レーザーパルスにより生成されたプラズマが消滅する前に次のレーザーパルスが到達すると、次のレーザーパルスはターゲット部位に存在するプラズマによりビームの進行方向やパルス時間幅が変わるなど、悪影響を受けるようになる。

これをプラズマ遮蔽（ｐｌａｓｍａ ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ）という。

プラズマ遮蔽を抑制するためには、そのプラズマの緩和時間が経過した後に次のレーザーパルスを印加しなければならない。

すなわち、レーザーパルスとパルスとの時間間隔をプラズマの緩和時間よりも長くしなければならない。プラズマの緩和時間は、加工しようとする媒質に応じて異なるが、レーザーパルス繰り返し率の例を挙げると、その繰り返し率が約１ＭＨｚ程度である。

したがって、生産現場で高生産性を維持するためには、数百ｋＨｚ領域のパルス繰り返し率を有するフェムト秒レーザーが要求される。

また、レーザー加工システムにレーザー光源を装着して運用するために、コンパクトな大きさ、低廉な価格だけでなく、長時間使用してもレーザー動作状態が変わらない高い動作安定性が要求される。

フェムト秒オシレータでモード同期（ｍｏｄｅ ｌｏｃｋｉｎｇ）によりフェムト秒パルスが最初に発生した時、そのパルスエネルギーはナノジュール（ｎＪ）程度で非常に低いため、レーザー加工などの応用には適していない。

フェムト秒パルスエネルギーを高めるために、チャープパルス増幅（ｃｈｉｒｐｅｄ ｐｕｌｓｅ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ：ＣＰＡ）技術を用いる。

例えば、パルス拡張器（ｐｕｌｓｅ ｓｔｒｅｔｃｈｅｒ）を用いてフェムト秒オシレータから出るパルスを時間的に長く拡張して増幅器（ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）に印加することにより、パルスエネルギーを増幅させる。

その次に、増幅されたパルスをパルス圧縮器（ｐｕｌｓｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）に通し、そのパルスの時間幅を本来のフェムト秒領域に復帰させる。

この時、フェムト秒オシレータから出るパルスは、増幅器に印加されるシードパルス（ｓｅｅｄｉｎｇ ｐｕｌｓｅｓ）の役割をする。

パルス拡張器で、波長による経路差によりパルスが時間的に長く伸びることをチャーピング（ｃｈｉｒｐｉｎｇ）といい、このような過程によりパルスエネルギーを増幅させる技術をチャープパルス増幅技術という。

この技術を用いてパルス増幅器の共振器で尖頭出力を必要な分だけ低く維持することで、自己集束効果（ｓｅｌｆ−ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ）によりレーザーパルスの時間的または空間的分布に発生する非線形変形を抑制し、システムを構成する光学部品に加えられる物理的損傷を抑制することができる。

すなわち、高いエネルギーのレーザーパルスによるシステムの損傷を防止するだけでなく、パルスエネルギーを高めるためにパルス増幅器を効率的に運用することができる。

最近、チャープパルス増幅技術に基づいて、ダイオード光源を直接ポンピングするフェムト秒マスターオシレータ（ｍａｓｔｅｒ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ：ＭＯ）とダイオード光源を直接ポンピングするパワー増幅器（ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＰＡ）を結合したＭＯＰＡシステムにより高いパルスエネルギーが得られるようになり、高尖頭出力と高平均出力を有するフェムト秒レーザーシステムの開発に大きい進展がある。

しかし、イッテルビウムがドーピングされたレーザー媒質は、２準位エネルギー構造または準３準位エネルギー構造を有するため、光ポンピング波長９８１ｎｍで放射される光が再びレーザー媒質に吸収される問題がある。

これを克服するために、高出力の高輝度レーザーダイオード光源を非常に小さいスポットサイズとしてレーザー結晶に集束する。

この過程でレーザービームに変形できなかったポンピング光源は、熱エネルギーの形態でレーザー結晶のスポットの周囲に伝えられ、レーザー結晶を締結したマウントにも伝えられる。

このような過程で熱エネルギーがたくさん蓄積されると、増幅されるレーザービームが歪んでビームの品質が悪くなり、レーザー平均出力及びパルスエネルギーも制限される。

また、前記レーザー結晶に蓄積された熱エネルギーが損傷閾値（ｄａｍａｇｅ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）よりも高くなると、レーザー結晶にひびが入ったりレーザー結晶が破られたりするなどの物理的な損傷が発生してレーザー発振が中止される問題が発生する。

複数のＹｂ：ＫＹＷまたはＹｂ：ＫＧＷレーザー結晶を用いてフェムト秒パルスを生成するか、増幅する先行研究を参照して説明する。

例えば、特許文献１ではＹｂ：ＫＧＷのような２つの異方性媒質を光ポンピングして共振器内でレーザービームが利得媒質を通過する回数を増やす概念を提案している。

しかし、この特許文献は、トリガー動作方式（Ｔｒｉｇｇｅｒｅｄ ｍｏｄｅ）におけるパルスパワーの不安定な現象を減らすために、レーザー共振器の長さを伸ばすことに集中しており、このように長さの長い共振器の様々な形態の１つとして２つの利得媒質ポンピング構成図を提案しているだけで、実験的な実現や結果を提示していない。

また、特許文献２では等方性レーザー結晶の２つのＹｂ：ＹＡＧを用いてフェムト秒パルスを増幅する概念を提案している。

しかし、前記２つの特許文献と本発明との最も大きい相違点は、前記２つの特許文献が単に２つのレーザー媒質を用いて出力を増幅することに重点を置いているのに対し、本発明では軸方向に応じて相異なる特性を有する異方性レーザー結晶を用いて出力を増幅するだけでなく、出力パルスのスペクトル幅を伸ばして熱的効果を減らすことにより、最終フェムト秒レーザーパルスの時間幅を減らし、パルスビームの形状を向上させることに重点を置いている。

さらに詳細に説明すると、異方性利得媒質は媒質の軸に応じて光学的、熱的に相異なる特性を示す。

したがって、異方性利得媒質のどの軸を選択してポンピング光源を印加し、レーザーを発振するかにより、出力パルスのスペクトルや熱的特性がずいぶん異なるものになる。

しかし、前記特許文献１及び特許文献２は、レーザー媒質の軸に対する言及は全くなく、単にレーザー媒質の数を増加させて出力パワーを向上する効果だけを考慮しているが、本発明ではレーザー媒質の軸を異なるように選択するか、または異なるようにポンピングすることにより、スペクトル幅を伸ばしたり熱的効果を相殺したりする技術的思想を含んでおり、レーザー出力パワーの向上は勿論、パルス幅の低減やパルスビームの品質向上を提案している。

一方、Ｙｂ：ＫＹＷレーザー媒質の軸を選択して脱偏光された（ｄｅｐｏｌａｒｉｚｅｄ）ポンピング光源を効率的に吸収し、レーザー媒質をポンピングするポンピング光源の偏光比率を調節する研究が特許文献３に提案されている。

この特許文献では、主に異方性媒質の光ポンピングに集中しており、第１に、脱偏光されたポンピング光源を用いた場合であっても異方性利得媒質の軸とポンピングレーザーの波長を選択して効率的にレーザー媒質を光ポンピングする方法を提案している。

第２に、ポンピング光源の波長が不安定な場合であってもレーザー媒質の軸を適切に選択し、これに入射されるポンピングレーザーの偏光比率を調節してレーザー出力はあまり変化しないようにする方法が提示されている。

上述した方法によれば、レーザー媒質の軸方向に応じて吸収スペクトルが相異なるという点を利用して１つのレーザー媒質で２つの軸が適切に混合されるようにレーザー媒質の方向を決めて切断し、ポンピング光源の強度を偏光方向に応じて調節した場合、広い波長領域でほぼ同様の吸収断面積を有する可能性があることが分かる。

しかし、この場合、ポンピング光源の偏光や波長の不安定性に対してあまり敏感でない光ポンピング部を製作できるという長所はあるが、広い波長領域でほぼ同様の吸収断面積を有するためには、レーザー媒質の吸収断面積が小さい波長領域で光ポンピングしなければならない。

また、１つのレーザー光源で２つの偏光に出力を分散しなければならないため、ポンピング効率が低下するだけでなく、レーザー波長に転換されずに吸収されたポンピング光源は熱エネルギーになってレーザー媒質に蓄積されることによりレーザービームの品質が低下し、その出力も制限されるという問題がある。

上述したように、フェムト秒オシレータから出るレーザーパルスエネルギーは、約数ｎＪ領域で、フェムト秒レーザーの加工に応用するには低すぎてパルスエネルギーを高めるための増幅過程が要求される。

しかし、レーザー媒質は、根本的に制限された幅を有する利得特性（ｇａｉｎ ｐｒｏｆｉｌｅ）を有するため、入射されるパルスの波長（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）に応じて増幅される倍率が変わり、増幅されたパルスのスペクトルバンド幅が狭くなる利得狭まり（ｇａｉｎ ｎａｒｒｏｗｉｎｇ）が発生してパルス時間幅は広くなる問題が発生する。

さらに詳しく説明すると、図１は、利得狭まりによるスペクトルの変化を説明するために概念的に示すグラフである。

図１の（ａ）のようなスペクトルを有する入力パルス（ｉｎｐｕｔ）を（ｂ）のように制限された幅の利得特性を有するレーザー媒質に印加すると、中心波長（ｃｅｎｔｒａｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ：λｃ）では増幅が続けられるが、中心から外れた周囲波長では利得が低くて増幅される比が中心波長よりも小さい。

レーザーパルスが増幅器の共振器内で往復しながらレーザー利得媒質を通過する回数が増加して増幅される比の差が累積されることにより、中心波長に比べて周囲波長ではその強度が相対的にさらに低くなる。

すなわち、図１の規格化されたグラフに示すように、（ｃ）の出力パルススペクトル（ｏｕｔｐｕｔ ｐｕｌｓｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ）の幅が（ａ）の入力パルススペクトルに比べて狭くなることが分かる。

Ｙｂ：ＫＹＷまたはＹｂ：ＫＧＷのようなイッテルビウムがドーピングされた単斜晶系の二重タングステンのレーザー媒質は、イッテルビウムドーピング結晶の中でも大きい放射／吸収断面積、広い放射バンド幅などにより、オシレータでは１００ｆｓ以下のパルスを作り、増幅器では２００ｆｓ以下のパルスを作るほど、広い放射バンド幅を持っている。

しかし、増幅過程で発生する利得狭まりの影響により、増幅されたフェムト秒レーザーパルスの時間幅が３００〜４００ｆｓに留まっている。

また、前記Ｙｂ：ＫＹＷまたはＹｂ：ＫＧＷレーザー結晶は、優れた熱伝導性を有するため、高平均出力のフェムト秒レーザーを作る場合に有効であるが、Ｙｂ：ＫＹＷまたはＹｂ：ＫＧＷの異方性レーザー媒質は軸方向に応じて熱伝導度が異なり、レーザーの平均出力が高くなると、熱的効果による熱的レンズの非点収差（ａｓｔｉｇｍａｔｉｓｍ）が発生してレーザービームの形状が歪み、ビームの品質が低下する問題が発生する。

米国特許ＵＳ７，５０８，８４７Ｂ２ 米国特許ＵＳ６，７６０，３５６Ｂ２ 米国特許ＵＳ６，８９１，８７６Ｂ２

本発明は、前記問題点を解決するためになされたもので、複数の異方性レーザー結晶を用いて利得スペクトルバンド幅を広げ、熱的効果が相殺されるレーザー共振器を構成し、共振器の外部でスペクトル成形されたパルスをシードパルスとして印加して増幅過程で発生する利得狭まりを抑制することにより、最終的にレーザーシステムから出るパルスの時間幅を短くし、ビームの品質、平均出力、及びパルスエネルギーを向上できる異方性結晶を用いたレーザー装置を提供することにその目的がある。

前記目的を達成するために本発明による異方性レーザー結晶を用いたレーザー装置は、レーザーダイオードで光ポンピングし、チャープパルス増幅技術を用いてレーザーパルス出力を増幅するレーザー装置であって、複数の異方性レーザー結晶を有し、前記異方性レーザー結晶を用いて相異なる利得スペクトル分布を結合する方式で利得狭まり現象を抑制し、スペクトルバンド幅を広げてさらに短いフェムト秒パルスを発生させ、レーザービームが前記異方性レーザー結晶を熱的特性の異なる軸方向に進行することにより熱的効果を分散させるレーザー共振器を含んで構成されることを特徴とする。

特に、前記異方性レーザー結晶は、Ｙｂ：ＫＹＷ、Ｙｂ：ＫＧＷ、Ｙｂ：ＫＬｕＷ、Ｙｂ：ＹＣＯＢから選択された何れか１つまたは２つ以上が組み合わされた２軸結晶であることを特徴とする。

前記複数の異方性レーザー結晶の１つはＮｇ軸方向にカッティングされたＮｇカットであり、前記異方性レーザー結晶の他の１つはＮｐ軸方向にカッティングされたＮｐカットであるレーザー結晶で組み合わされて相異なる利得スペクトル分布を結合することを特徴とする。

前記複数の異方性レーザー結晶において、ポンピング光源の全偏光方向はＮｍ軸と平行するようにし、レーザービームの偏光方向の１つはＮｍ軸と平行するようにし、前記レーザービームの偏光方向の他の１つはＮｐ軸と平行するようにして相異なる利得スペクトル分布を結合する方式でスペクトルバンド幅を広げることを特徴とする。

前記複数の異方性レーザー結晶において、ポンピング光源の全偏光方向はＮｍ軸と平行するようにし、レーザービームの全偏光方向もＮｍ軸と平行するようにして最も高いパルス出力が得られることを特徴とする。

前記異方性レーザー結晶の相異なる軸方向にレーザービームを進行するようにして熱的効果を分散させ、増幅されるレーザービームの非点収差を部分的に相殺させることを特徴とする。

また、チャープパルス増幅技術を用いたフェムト秒レーザー装置を構成する場合、パルスを増幅する過程で発生する利得狭まり現象を抑制するための他の方法としては、パルス拡張器とパルス増幅器との間にスペクトル成形器を配置し、シードパルスをパルス増幅器に入射する前にパルスのスペクトルを所望する形態に成形してスペクトルバンド幅が狭くなることを防止しパルス時間幅を短くすることを特徴とする。

前記スペクトル成形器は、レーザー共振器の外部に設置されることを特徴とする。

前記スペクトル成形器は２つの偏光板の間に複屈折石英板を配置して構成され、前記石英板の厚さ、回転方向を調整して様々な形態にスペクトルを成形することを特徴とする。

前記複数の異方性レーザー結晶の間にビームダンパーを配置してレーザー結晶で吸収できなかったポンピング光源の加熱による熱的効果によりレーザー共振器が変形することを防止することを特徴とする。

前記異方性レーザー結晶は、イッテルビウムドーピング濃度が２〜４ａｔ．％であり、長さ３〜７ｍｍを有する結晶の大きさで形成されることを特徴とする。

本発明で提供する複数の異方性レーザー結晶を用いたレーザー装置は次のような長所がある。

第１に、複数の異方性レーザー結晶を用いることにより、レーザービームの偏光方向、ポンピング光源の偏光方向、結晶のカッティング方向などを考慮して様々な形態の軸方向を組み合わせるレーザー共振器を構成して、広いスペクトルバンド幅を有する、すなわち短いパルス幅を有するフェムト秒レーザーを製作することができる。

第２に、レーザー共振器の内部または外部にパルススペクトルを所望する形態に変形させるスペクトル成形器を配置することにより、スペクトルバンド幅を広げてさらに短いパルス幅を有するフェムト秒レーザーを製作することができる。

第３に、レーザー結晶のイッテルビウムドーピング比率、長さを含む結晶のサイズなどを様々な形態の軸方向と共に考慮してレーザー共振器を構成することにより、熱的効果を抑制するか、部分的に相殺して高品質のレーザービームが得られ、平均出力も高めることができる。

利得狭まりによるスペクトルの変化を説明するために概念的に示すグラフである。 スペクトル成形によるスペクトルの変化を説明するために概念的に示すグラフである。 レーザー結晶Ｙｂ：ＫＹＷにおける偏光方向による放射断面積を示すグラフである。 レーザー結晶Ｙｂ：ＫＹＷにおけるポンピング光源の強度比率による放射断面積の変化例を示すグラフである。 ポンピング光源及びレーザーの偏光方向、そして異方性Ｙｂ：ＫＹＷレーザー結晶の組み合わせを示す光学概念図である。 ポンピング光源及びレーザーの偏光方向、そして異方性Ｙｂ：ＫＹＷレーザー結晶の組み合わせの他の例を示す光学概念図である。 本発明によるフェムト秒レーザー装置の概念図である。 本発明の実施例で２つのレーザー結晶を用いた再生増幅器を示す光学概念図である。 本発明の実施例でビームダンパーを示す図面である。 本発明の実施例でレーザー結晶に印加されるポンピング光源の強度による連続波出力の傾き効率を示すグラフである。 本発明の実施例でスペクトル成形器を示す光学概念図である。 本発明の実施例でシードパルスをスペクトル成形する前と後のスペクトルを示すグラフである。 本発明の実施例でスペクトル成形せずに増幅されたパルスと、スペクトル成形して増幅されたパルスのスペクトルを示すグラフである。 本発明の実施例でスペクトル成形せずに増幅されたパルスと、スペクトル成形して増幅されたパルスのパルス時間幅を示すグラフである。 本発明の実施例でパルス繰り返し率によるパルスエネルギーの変化を示すグラフである。

以下、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施例に対して本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。

本発明は、パルスエネルギー（ｐｕｌｓｅ ｅｎｅｒｇｙ）の増幅過程で発生する利得狭まりを抑制することにより、最終的にレーザーシステムから出るパルスの時間幅を短くし、ビームの品質、平均出力、及びパルスエネルギーを高めることができる異方性結晶を用いたレーザー装置に関する。

チャープパルスの増幅のようにパルスエネルギーを増幅させる過程でフェムト秒レーザーのパルス時間幅が伸びる問題を解決するためにスペクトルバンド幅を広げる方法が開発されている。

例えば、前記スペクトルバンド幅を広げる方法として、空間的分散増幅（ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）、共振器の内部に光学素子を挿入してスペクトルを変形させる方法、非線形パルス圧縮などがある。

シードパルス（ｓｅｅｄｉｎｇ ｐｕｌｓｅ）を増幅器１３に印加する前にスペクトルを所望する形態に変形してから印加するか、増幅器１３内でレーザーパルスのスペクトルを所望する形態に変形することにより、増幅過程で発生する利得狭まり、すなわちスペクトルの狭まり現象を抑制することができる。

すなわち、広いスペクトルバンド幅を保持できるため、増幅されたレーザーパルスが長くなることを抑制することができる。

図２は、スペクトル成形によるスペクトルの変化を説明するために概念的に示すグラフである。

図２の（ａ）のようなスペクトルを有する入力パルスを（ｂ）のように制限された幅の利得特性（ｇａｉｎ ｐｒｏｆｉｌｅ）を有するレーザー媒質に印加する前に、（ｃ）のように中心波長（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）では強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）を低くし、中心から少し外れた波長では強度を高くするＭ形状のスペクトル成形（ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｓｈａｐｉｎｇ）をする。

このように変形されたスペクトルのパルスが（ｂ）のような利得特性を有するレーザー媒質に印加されると、中心波長では利得が低く、中心から少し外れた波長で利得が高い。

レーザーパルスが増幅器１３の共振器内で往復しながらレーザー利得媒質を通過する回数が増加して波長により増幅される比の差が累積されることにより、（ｄ）のような出力パルススペクトル（ｏｕｔｐｕｔ ｐｕｌｓｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ）を有する出力パルスとなる。

図２の規格化されたグラフに示すように、（ｅ）の規格化されたスペクトル（ｒｅ−ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ｓｐｅｃｔｒｕｍ）は、（ａ）の入力パルススペクトル（ｉｎｐｕｔ ｐｕｌｓｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ）に比べて広くなったことが分かる。

利得狭まり効果を抑制するための他の有効な方法として、利得最大値の波長が相異なるレーザー媒質を結合して、利得スペクトルをさらに広くなるようにそれぞれの利得スペクトルを重複させる方法がある。このように有効な利得バンド幅を増加させる方法は、スペクトル成形（ｓｐｅｃｔｒａｌ ｓｈａｐｉｎｇ）とは異なり、スペクトル結合（ｓｐｅｃｔｒａｌ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ）という。

Ｙｂ：ＫＹＷまたはＹｂ：ＫＧＷのような異方性レーザー結晶は、レーザービームの偏光方向が結晶のどの軸方向と平行するかにより、放射断面積（ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎ）が異なる。

例えば、Ｙｂ：ＫＹＷレーザー結晶において、Ｎｍ、Ｎｐ、Ｎｇのような光学的軸（ｏｐｔｉｃａｌ ａｘｅｓ）は、波長１０１５〜１０５０ｎｍ領域でレーザービームの偏光方向がレーザー結晶のＮｍ軸と平行する場合に放射断面積が最も大きく、次にＮｐ軸と平行する場合に大きく、最後にＮｇ軸と平行する場合はＮｍ軸と平行する場合よりも約１０倍ほど小さい。

このような光学的軸でなく、ａ軸、ｂ軸、ｃ軸のような結晶学的軸（ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ ａｘｅｓ）を用いて上述した効果が得られることもある。

図３は、Ｎｍ軸とＮｐ軸方向に対する放射断面積を示す。

Ｎｍ軸は、図３の（ａ）のように１０２５ｎｍ付近で最大値を持ち、Ｎｐ軸は図３の（ｂ）のように１０４０ｎｍ付近で最大値を持つ。このように相異なる利得特性を結合した例を図４に示す。

図４の（ａ）はＮｍ軸とＮｐ軸を１対１でスペクトル結合した場合であり、（ｂ）は１対３で結合した場合である。

このように異なる結合比率は、レーザー結晶に印加されるポンピング光源の強度を相異なるようにすることにより、実験的に実現可能になる。

Ｙｂ：ＫＹＷまたはＹｂ：ＫＧＷレーザー結晶は、放射断面積だけでなく、吸収断面積も軸方向に応じて異なるため、レーザービームの偏光方向、ポンピング光源の偏光方向、及びレーザービームの進行方向を示す結晶のカッティング方向を様々な形態に組み合わせることができる。

Ｎｍ軸方向の吸収断面積がＮｐ軸方向の吸収断面積よりも約５倍ほど大きいため、ポンピング効率を考慮してポンピング光源の偏光方向をＮｍ軸方向にすることが最も好ましい。

Ｎｇ軸方向の吸収断面積はＮｍ軸方向の吸収断面積よりも約１０倍ほど小さい。

図５は、ポンピング光源、レーザーの偏光方向、及び異方性のＹｂ：ＫＹＷレーザー結晶のＣ１、Ｃ２の組み合わせであって、上述した本発明のアイデアを実現するために本発明で解決手段として提示する光学概念図である。

レーザー共振器内で共振するレーザービームの偏光（Ｅ_{ｌａｓｅｒ}）は垂直（ｖｅｒｔｉｃａｌ）であるとする。

レーザー結晶Ｃ１はＮｇ軸方向にカッティングされたＮｇカットであって、ポンピング光源の偏光方向（Ｅ_ｐｕｍｐ）はＮｍ軸に沿って水平方向に、レーザービームの偏光方向はＮｐ軸と平行するように垂直方向に配置する。

レーザー結晶Ｃ２はＮｐ軸方向にカッティングされたＮｐカットであって、ポンピング光源の偏光方向はＮｍ軸と平行するように垂直方向に、レーザービームの偏光方向もＮｍ軸と平行するように垂直方向に配置する。

言い換えれば、ポンピング光源の全偏光方向は吸収断面積が最も大きいＮｍ軸と平行するようにし、レーザービームの偏光方向は、１つは放射断面積が最も大きいＮｍ軸と平行するようにし、他の１つはその次に大きいＮｐ軸と平行するようにすることで、相異なる利得スペクトルを結合させる。

すなわち、１つはＮｇカットで、他の１つはＮｐカットであるレーザー結晶を組み合わせて相異なる利得スペクトル分布を結合し、そのバンド幅を広げてさらに短いフェムト秒パルスを発生させ、熱的特性の異なる軸方向にレーザービームが進行するようにして熱的効果を分散させる。

上述したアイデアは３つ以上の異方性レーザー結晶を使用する場合に適用してもよい。

フェムト秒レーザーを産業に応用するためにパルス時間幅が短いことが無条件で良いとは言えない。

加工しようとする物質または生産現場の環境、レーザーシステムの安定性などを考慮して適当なパルス時間幅を持ちながらも、さらに高平均出力のフェムト秒レーザーが必要なこともある。

図６は、上述したことを実現するためにポンピング光源及びレーザーの偏光方向、そして異方性Ｙｂ：ＫＹＷレーザー結晶の組み合わせの他の例を示す光学概念図である。

レーザー共振器内で共振するレーザービームの偏光は垂直（ｖｅｒｔｉｃａｌ）である。

レーザー結晶Ｃ１はＮｇ軸方向にカッティングされたＮｇカットであって、ポンピング光源の偏光方向はＮｍ軸と平行するように垂直方向に、レーザービームの偏光方向もＮｍ軸と平行するように垂直方向に配置する。

レーザー結晶Ｃ２はＮｐ軸方向にカッティングされたＮｐカットであって、ポンピング光源の偏光方向はＮｍ軸と平行するように垂直方向に、レーザービームの偏光方向もＮｍ軸と平行するように垂直方向に配置する。

言い換えれば、ポンピング光源の全偏光方向は吸収断面積が最も大きいＮｍ軸と平行するようにし、レーザービームの偏光方向も放射断面積が最も大きいＮｍ軸と平行するようにして最も高出力を得ようとする。

したがって、最も高い利得スペクトル分布を結合してレーザー出力は高め、１つはＮｇカットで、他の１つはＮｐカットであるレーザー結晶を組み合わせて相異なる軸方向にレーザービームが進行するようにして熱的効果を分散させる。

上述したアイデアは３つ以上の異方性レーザー結晶を使用する場合に適用してもよい。

また、Ｙｂ：ＫＹＷまたはＹｂ：ＫＧＷレーザー結晶の場合、放射断面積、吸収断面積だけでなく熱伝導度も軸方向に応じて異なる。

平均出力が高くなると、レーザー結晶に熱エネルギーが蓄積されて熱的レンズ効果（ｔｈｅｒｍａｌ ｌｅｎｓ ｅｆｆｅｃｔ）が発生する。

このような熱的レンズの焦点長さが軸方向に応じて異なる場合、非点収差（ａｓｔｉｇｍａｔｉｓｍ）が発生し、ビームの空間的な分布が歪む現象が発生することがある。

レーザービームの偏光方向、ポンピング光源の偏光方向、及び結晶のカッティング方向などを考慮して様々な形態の軸方向を組み合わせる時、非点収差も考慮しなければならない。

また、レーザー結晶のイッテルビウムドーピング比率、長さを含む結晶のサイズなどを様々な形態の軸方向と共に考慮してレーザー共振器を構成することにより、熱的効果を抑制するか、部分的に相殺して高品質のレーザービームが得られ、平均出力も高めることができる。

本発明では、複数の異方性レーザー結晶において、レーザービームの偏光方向、ポンピング光源の偏光方向、結晶のカッティング方向、及び非点収差などを考慮して様々な形態の軸方向を組み合わせるレーザー共振器を構成し、共振器の外部でスペクトル成形されたパルスをシードパルスとして印加するチャープパルス増幅方式のフェムト秒レーザーを構成することにより、従来の問題点を克服することができる。

本発明では、複数の異方性レーザー結晶を使用して相異なる利得スペクトルを結合することにより、スペクトルバンド幅を広げ、それに該当するパルスの時間幅を減らす。

Ｙｂ：ＫＹＷ異方性レーザー結晶において、放射断面積が大きいＮｍ軸とＮｐ軸を組み合わせて広いバンド幅のスペクトルが得られ、レーザービームの進行方向を異方性レーザー結晶の相異なる軸方向に設定することにより、非点収差を部分的に相殺して高品質の出力ビームを保持することができる。

また、スペクトル成形により出力ビームのスペクトルバンド幅をさらに広げて高平均出力を持ちながらも、パルス時間幅を短くする。

例えば、本発明で実験的に実現されたフェムト秒レーザーシステムの形態は図７の光学概念図である。

図７でＦＭは全反射平面鏡、ＴＦＰは薄膜偏光子を示す。

チャープパルス増幅技術の概念に基づき、マスターオシレータ１０でフェムト秒領域の極超短パルスを発生させる。

増幅過程で発生する可能性のあるレーザー結晶などの光学部品の物理的損傷を防止するために、パルス拡張器１１（ｐｕｌｓｅ ｓｔｒｅｔｃｈｅｒ）を用いてフェムト秒パルスを時間的にとても長く、例えば本実験ではＹｂ：ＫＹＷレーザー結晶を用いて製作したオシレータで発生する１００フェムト秒程度のパルスを数十ピコ秒パルスにして数千倍長くした。

マスターオシレータ１０とパルス拡張器１１との間にファラデーアイソレータ１６（Ｆａｒａｄａｙ ｉｓｏｌａｔｏｒ）を配置し、増幅器１３で逆方向に戻ってくる高いエネルギーのレーザーパルスを止めてマスターオシレータ１０の損傷を防止する。

また、パルス拡張器１１を用いた後、スペクトル成形器１２（ｓｐｅｃｔｒａｌ ｓｈａｐｅｒ）を用いてシードパルス（ｓｅｅｄｉｎｇ ｐｕｌｓｅ）のスペクトルを所望する形態に変形させる。

Ｙｂ：ＫＹＷレーザー結晶を用いた増幅器１３により増幅されたレーザーパルスは、ファラデー回転子１４（Ｆａｒａｄａｙ ｒｏｔａｔｏｒ）を再び通過することにより、偏光方向が９０°回転して薄膜偏光子（ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｐｏｌａｒｉｚｅｒ：ＴＦＰ）によりその進行経路がパルスピッカー１５（ｐｕｌｓｅ ｐｉｃｋｅｒ）側に変わる。

電気−光学的スイッチ（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ ｓｗｉｔｃｈ）のパルスピッカー１５を用いて所望するパルスと所望しないパルスをスイッチングしてパルス圧縮器１７に送り、レーザーパルスの時間幅を再びフェムト秒領域に戻すことにより、高いエネルギーの極超短レーザーパルスがレーザーシステムの外部に引き出される。

以下、本発明を次の実施例に基づいてより詳しく説明するが、本発明が次の実施例により限定されることはない。

［実施例］
増幅器１３に印加するシードパルスを発生させるために、フェムト秒マスターオシレータ１０を製作した。

この時、マスターオシレータ１０は大きさ３×３×２ｍｍ^３、ドーピング比率５ａｔ．％（ａｔ．％は原子百分率である。）のＹｂ：ＫＹＷレーザー結晶を用いて製作した。

ポンピング光源の偏光方向はＮｍ軸と平行するようにし、レーザーの発振偏光方向もＮｍ軸と平行するようにした。

発振されるフェムト秒マスターオシレータ１０の中心波長を増幅器１３の共振器の中心波長に一致させるために、レーザー結晶をＮｐ軸方向に切断したＮｐカットを用いた。

マスターオシレータ１０の中心波長は１０３５ｎｍ、スペクトルバンド幅は９．０ｎｍ、パルス時間幅は１１０ｆｓ、平均出力は１．２Ｗであった。

パルス拡張器１１は増幅器１３を使用する前に、パルスの長さを時間的に長くする装置であり、パルス圧縮器１７は長く伸ばしたパルスの時間幅をフェムト秒領域に再び短く戻す装置である。

このようなチャープパルス増幅過程で数百または数千倍以上長く伸ばした時間幅のパルスを増幅器１３で増幅すると、増幅されたパルスの尖頭出力（ｐｅａｋ ｐｏｗｅｒ）が低くなって増幅器１３の共振器を構成する光学部品の物理的損傷を防止することができる。

また、高い尖頭出力で発生する自己集束効果（ｓｅｌｆ−ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ）のような非線形現象により、パルスの時間的形態とビームの空間的分布が歪むことを防止することができる。

本実験では、グルーブ密度（ｇｒｏｏｖｅ ｄｅｎｓｉｔｙ）が１５００ｌｉｎｅｓ／ｍｍの１つの透過型回折格子（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｇｒａｔｉｎｇ）を用いてパルス拡張器１１とパルス圧縮器１７の役割を同時に行うように設計して製作した。

マスターオシレータ１０のフェムト秒パルスを用いてテストした結果は次の通りである。時間幅１１０ｆｓのフェムト秒パルスは、パルス拡張器１１により約５０ｐｓのパルスに拡張され、再びパルス圧縮器１７に通過させて１６０ｆｓに圧縮された。

すなわち、拡張される前のパルス時間幅と圧縮された後のパルス時間幅の比を示す圧縮比率は１．４５であった。そして、パルス拡張器１１の前後の出力変換効率は７４％、パルス圧縮器１７の前後の出力変換効率は７８％であった。

図８は、レーザー出力を高めるために２つのレーザー結晶を用いたレーザー増幅器１３の光学概念図である。

図８において、ＦＭは全反射平面鏡、ＣＭ１とＣＭ２は曲率半径を有する凹鏡、符号２１はレーザーダイオード（ＬＤ ｂａｒ）、符号２２は光ファイバー、ＤＭは２色性平面鏡、ＦＬはフォーカシングレンズ、ＣＬはコリメーティングレンズ、Ｃ１とＣ２はＹｂ：ＫＹＷレーザー結晶、ＴＦＰは薄膜偏光子、及びλ／２とλ／４はそれぞれ半波長板と１／４波長板を示している。

図５及び図６に示すように、ビームダンパー３０（ｂｅａｍ ｄｕｍｐｅｒ）をレーザー結晶Ｃ１とＣ２の間に配置して一定温度の水に冷却させる。

本発明の実施例では、図８に示すように、２つのＹｂ：ＫＹＷレーザー結晶とポッケルセル２３（Ｐｏｃｋｅｌｓ ｃｅｌｌ）、１／４波長板、薄膜偏光子、及び光学部品で、Ｑ−スイッチング動作をする再生増幅器１３（ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を構成した。

ポッケルセル２３（Ｐｏｃｋｅｌｓ ｃｅｌｌ）、１／４波長板、薄膜偏光子は、共振器内のパルスを外部に引き出すためのスイッチの役割をする。

高輝度のレーザーダイオード２１により光ポンピングされる再生増幅器１３の共振器で増幅されたレーザーパルスを引き出すために、ポッケルセル２３に数ｋＶの高電圧を印加すると、パルスの偏光が９０°回転して薄膜偏光子を通過し、共振器の外部に引き出される。

このように外部に引き出されたパルスは、パルスピッカー１５（ｐｕｌｓｅ ｐｉｃｋｅｒ）を介して所望するパルスだけ通過させる。

この時、パルスピッカー１５は、主パルス（ｍａｉｎ ｐｕｌｓｅ）を先行パルス（ｐｒｅ−ｐｕｌｓｅｓ）及び後続パルス（ｐｏｓｔ−ｐｕｌｓｅｓ）から分離させる。

ポッケルセル２３を用いて共振器の外部に引き出そうとするレーザーパルスと、そのまま共振器の外部にもれる弱いレーザーパルスとの間の相対的なコントラスト比（ｃｏｎｔｒａｓｔ ｒａｔｉｏ）を高めるために、再生増幅器１３では２つの薄膜偏光子を使用した。

また、全体システムでは薄膜偏光子をさらに配置して最終的なコントラスト比を高めた。

Ｙｂ：ＫＹＷレーザー結晶は、その大きさが２×２×５ｍｍ^３、Ｙｂ^３＋イオンのドーピング濃度が３ａｔ．％のものを使用し、レーザー結晶の両末端にはポンピング光源とレーザー発振波長に対して無反射コーティングをした。

２色性平面鏡ＤＭは、９８１ｎｍ波長領域のポンピング光源は高透過度で通過させ、１マイクロ波長領域のレーザーに対しては高反射率で反射するようにコーティングした。

ポンピング光源としては、波長９８１ｎｍ、最大出力７０Ｗの高輝度レーザーダイオード２１を各Ｃ１、Ｃ２レーザー結晶に１つずつ、すなわち２つを使用した。

本実験で使用するＹｂ：ＫＹＷは、異方性レーザー結晶として偏光方向に応じて相異なる特性を示す。

したがって、レーザーダイオード２１に締結された光ファイバー２２（ｆｉｂｅｒ）の長さを最大限短くしてポンピング光源の偏光方向が最大限保持されるようにした。

本実験では長さ３０ｃｍ、コア直径２００μｍ、開口数（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ：ＮＡ）０．２２の高輝度レーザーダイオード２１（ｈｉｇｈ−ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ）を使用した。

ポンピング光源がレーザー結晶に最大限吸収されるようにするために、光ファイバー２２の後に半波長板λ／２を配置して偏光方向を微細に調節してポンピング光源の偏光をＹｂ：ＫＹＷ結晶のＮｍ軸と平行するようにした。

図５は、ポンピング光源及びレーザーの偏光方向、そして異方性のＹｂ：ＫＹＷレーザー結晶Ｃ１、Ｃ２の組み合わせを用いて本発明の実施例を実現したものである。

再生増幅器１３の共振器内で共振するレーザービームの偏光は垂直（ｖｅｒｔｉｃａｌ）である。

レーザー結晶Ｃ１はＮｇ軸方向にカッティングされたＮｇカットであって、ポンピング光源の偏光方向はＮｍ軸に沿って水平方向であり、レーザービームの偏光方向はＮｐ軸と平行するように垂直方向に配置した。

レーザー結晶Ｃ２はＮｐ軸方向にカッティングされたＮｐカットであって、ポンピング光源の偏光方向はＮｍ軸と平行するように垂直方向であり、レーザービームの偏光方向もＮｍ軸と平行するように垂直方向に配置した。

言い換えれば、ポンピング光源の全偏光方向は、吸収断面積が最も大きいＮｍ軸と平行するようにし、レーザービームの偏光方向は、１つは放射断面積が最も大きいＮｍ軸と平行するようにし、他の１つはその次に大きいＮｐ軸と平行するようにして相異なる利得スペクトルを結合させる。

１つはＮｇカットで、他の１つはＮｐカットであるレーザー結晶を組み合わせてレーザー発振が相異なる利得スペクトル分布を結合し、そのバンド幅を広げてさらに短いフェムト秒パルスを発生させ、熱的特性の異なる軸方向にレーザービームが進行するようにして熱的効果を分散させる。

また、レーザー結晶の長さを比較的長い５ｍｍにし、ドーピング比率を３ａｔ．％に低くしたことは、熱的レンズ効果を減らし、高出力で出力ビームの空間的品質を向上させるためである。

これを裏付ける実験結果を察し見ると、仮想的に共振器を構成して出力特性を数値シミュレーション（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）するＬＡＳＣＡＤソフトウェア（Ｌａｓ−ＣＡＤ ＧｍｂＨ）を活用することにより、例えば、長さ５ｍｍ、ドーピング比率３ａｔ．％のＹｂ：ＫＹＷレーザー結晶が受ける熱的レンズと熱的−機械的ストレスの光学的強度が、長さ３ｍｍ、ドーピング比率５ａｔ．％のレーザー結晶が受けることと比較して１．５倍低いことが明らかになった。

また、コンピュータ計算によれば、Ｎｇカット結晶とＮｐカット結晶では、熱的レンズの非点収差（ａｓｔｉｇｍａｔｉｓｍ）強度はほぼ同様であるが、軸方向が相異なることが分かった。

レーザー結晶に印加されるポンピング光源の出力が３６Ｗである時、ｘ軸方向とｙ軸方向の熱的焦点距離の比（ｆｘ／ｆｙ）がＮｇカットは１．１５で、Ｎｐカットは０．８８であった。

これはレーザービームがＮｇカット結晶を通過した後に連続的にＮｐカット結晶を通過するか、またはレーザービームがＮｐカット結晶を通過した後に連続的にＮｇカット結晶を通過する場合に増幅されるビームの非点収差が部分的に相殺される可能性があることを意味する。

レーザー結晶Ｃ１、Ｃ２で吸収できなかったポンピング光源は、全体ポンピング光源に比べて弱いが、他のレーザー結晶及び光学部品、光マウントなどの加熱に充分な程度の高強度を有するため、レーザー結晶Ｃ１とＣ２の中間にビームダンパー３０（ｂｅａｍ ｄｕｍｐｅｒ）を配置して加熱による熱的効果により再生増幅器１３の共振器が変形されることを防止した。

また、ビームダンパー３０が加熱されて周辺に熱を伝達することを防止するために、ビームダンパー３０の内部に冷却水通路３１を形成し、冷却水通路に一定温度の冷却水が流れるようにしてビームダンパー３０を冷却させた。

図９は、熱的な問題による共振器構成の変形を防止するために、レーザー結晶Ｃ１とＣ２の間に配置したビームダンパー３０の詳細図面及び部分断面図である。

Ａ−Ａ部分断面図に示すように、ポンピングビームに触れる部位３２は角が大きいコーン状であって、反射されるビームが再生増幅器１３の共振器に戻らないようにし、その真ん中にレーザービームが通過する小さい穴３３を開けておく。

Ｂ−Ｂ部分断面図に示すように、レーザー結晶で吸収できなかったポンピングビームによりビームダンパー３０が加熱されることを減らすために、冷却水を流して効果的に冷却させる。

また、ビームダンパー３０を他の光マウントと連動して固定する穴とねじタップを構成した。

次に、実験結果を説明する。

図１０は、図８により構成した再生増幅器１３において、パルスでなく、連続発振モードでレーザー結晶に印加されるポンピングパワー（ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｐｕｍｐ ｐｏｗｅｒ ｏｎ ｃｒｙｓｔａｌｓ［Ｗ］）による連続波出力パワー（ＣＷ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ）の動作特性を示す。

先ず、それぞれのＮｇカットとＮｐカット結晶の１つにだけポンピング光源を印加した結果、傾き効率（ｓｌｏｐｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）がそれぞれ４７％、３７％になった。

印加されるポンピング光源が３６Ｗである時、最大出力がそれぞれ１２Ｗ、９Ｗであった。

また、ＮｇカットとＮｐカット結晶に同時にポンピング光源を印加すると、傾き効率が約３５％になり、印加されるポンピング光源が７２Ｗである時、再生増幅器１３の連続波出力が１８Ｗであった。

Ｑ−スイッチモードではゲートタイム８００ｎｓ、パルス繰り返し率（ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ）２００ｋＨｚである時、平均出力１６Ｗを得た。

連続波モードに比べて出力が少し低下したことは共振器の内部に配置した光学スイッチによる損失があるからである。

パルス時間幅は約２０ｎｓであり、スペクトルバンド幅は約１６ｎｍであった。

２つのレーザー結晶が有する相異なる利得ピークにより１０３５ｎｍと１０４３ｎｍの２つのピークを有するＭ形状のスペクトルを得た。

増幅器１３によりパルスエネルギーが増幅される過程でスペクトルの狭まりが発生する。これを抑制し、スペクトルバンド幅を広げるために、リオフィルタ（Ｌｙｏｔ ｆｉｌｔｅｒ）と呼ばれる偏光−干渉フィルタ（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｉｌｔｅｒ）を用いてスペクトル成形（ｓｐｅｃｔｒａｌ ｓｈａｐｉｎｇ）を共振器の外部（ｅｘｔｒａ−ｃａｖｉｔｙ）で、または内部（ｉｎｔｒａ−ｃａｖｉｔｙ）で試みた。

スペクトル成形器１２（ｓｐｅｃｔｒａｌ ｓｈａｐｅｒ）は、図１１に示すように、２つの偏光板と、これらの間に配置された複屈折石英板（ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔ ｑｕａｒｔｚ ｐｌａｔｅ）で構成される。

最適のスペクトル成形を行うために、複屈折フィルタによる透過度の最小点が利得スペクトルの最大点と一致しなければならず、その幅もほぼ同じでなければならない。

これを実現するために、厚さ８ｍｍの石英板を光軸に沿って切断し、回転方向をφ、ψ方向にして回転マウントに装着して透過度最小点の位置とその変調深さを微細に調整した。

最終段階でパルス拡張及びスペクトル成形されたシードパルスを再生増幅器１３に印加し、図７のような全体システムを構成してその動作特性を測定した。

図１２は、パルス拡張されたシードパルスをスペクトル成形する前（ａ）と後（ｂ）のそれぞれのスペクトルを示す。

マスターオシレータ１０から出るパルスは中心波長１０３５ｎｍ、バンド幅９ｎｍの対称的なスペクトルを示す。

スペクトル成形された後には１０３０ｎｍと１０４０ｎｍ付近で局所的な最大値を持つことが分かる。

勿論、スペクトル成形器１２を構成する石英板の厚さ、回転方向φ、ψを調整して様々な形態にスペクトル成形することが可能である。

図１３の（ａ）は、スペクトル成形（ｓｐｅｃｔｒａｌ ｓｈａｐｉｎｇ：ＳＳ）していないシードパルスを再生増幅器１３に印加し、パルス繰り返し率２００ｋＨｚでＣ１、Ｃ２レーザー結晶に同じポンピング光源を印加した時、増幅されたレーザーパルスのスペクトルを測定したもので、中心波長１０３６ｎｍ、バンド幅６ｎｍの非対称的なスペクトルを示す。

増幅前のパルススペクトルの図１２の（ａ）と比較すると、利得狭まりによりスペクトルバンド幅が９ｎｍから６ｎｍに狭くなったことが分かる。

このように狭くなったスペクトルのパルスをパルス圧縮器１７で圧縮した場合、図１４の（ａ）のようにパルス時間幅が２６５ｆｓに測定された。

このようなスペクトルの狭まりは様々な方法で抑制することができる。

例えば、異方性レーザー結晶Ｙｂ：ＫＹＷのＣ１とＣ２に相異なる強度のポンピングパワーを印加すると、相異なる中心波長で利得最大値を持つようになるため、相異なる強度の利得スペクトルが結合される効果が得られる。

実際の実験でＮｐカット結晶とＮｇカット結晶に印加されるポンピングパワーの比を３：２に変わると、スペクトルがさらに広くなってその形状がかなり変形されることを確認した。

この場合、スペクトルバンド幅は９ｎｍ、パルス時間幅は２１０ｆｓに測定された。しかし、狭くなったパルス時間幅が得られたが、ポンピングパワーの強度を制限することにより、フェムト秒レーザーシステムの全体出力が制限されるという問題がある。

本実験では上述した条件で出力が３７％も減ったことが測定された。

スペクトルの狭まりを抑制する他の方法は、スペクトル成形を用いる方法である。図７のようにパルス拡張器１１と再生増幅器１３の間に図１１のようなスペクトル成形器１２を配置してシードパルスを共振器の外部でスペクトル成形を実施する。

スペクトル成形器１２の回転角度を微細に調整しながら、増幅されるパルスのスペクトルを観察して最適の位置を決める。

図１３の（ｂ）は、シードパルスをスペクトル成形した時、増幅されたレーザーパルスのスペクトルを示す。

測定されたスペクトルは、中心波長１０３４ｎｍ、スペクトルバンド幅１１ｎｍの鐘状（ｂｅｌｌ−ｓｈａｐｅ）であった。

スペクトル成形前には増幅されたパルスのバンド幅が６ｎｍであったが、スペクトル成形後にはそのバンド幅が１１ｎｍであり、約２倍増加した。このように広げたスペクトルのパルスをパルス圧縮器１７で圧縮すると、図１４の（ｂ）のようにパルス時間幅が１８２ｆｓに測定された。

スペクトル成形器１２を再生増幅器１３の共振器内部に配置して実験を行った。

ほぼ同じような広さのスペクトルが得られたが、レーザー出力は約２０％減少した。

レーザーパルスが共振器内部で複数回往復することにより、リオフィルタを含むスペクトル成形器１２による低損失が蓄積されたからである。

図１５はパルス繰り返し率によるパルスエネルギーの変化を示している。

パルス繰り返し率が低いほどパルスエネルギーがさらに高い。最大パルスエネルギーはレーザー結晶に印加されるポンピングパワーが７３．２Ｗ、パルス繰り返し率が５０ｋＨｚである時、１６４μＪに測定された。

低いパルス繰り返し率でラマン散乱（Ｒａｍａｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）が発生することを実験的に観測したが、これはパルスエネルギーを高めることを妨げる要素として作用する。

パルス繰り返し率２００ｋＨｚでは１０〜５０μＪのパルスエネルギーを、５００ｋＨｚでは４〜２０μＪのパルスエネルギーを得た。

このパルスエネルギーは、高いパルス繰り返し率で様々な試料を加工するのに充分である。

本発明の実施例として提示した本実験の結果を簡単に整理する。

相異なるカッティング方向を有する２つのレーザー結晶を用いてレーザー共振器を構成し、共振器の外部でスペクトル成形されたパルスをシードパルスとして印加する組み合わせを構成することにより、最適のパルス時間幅、平均出力、及びパルスエネルギーが得られるフェムト秒レーザーシステムを提供することができる。

１０ マスターオシレータ
１１ パルス拡張器
１２ スペクトル成形器
１３ 増幅器
１４ ファラデー回転子
１５ パルスピッカー
１６ ファラデーアイソレータ
１７ パルス圧縮器
２１ レーザーダイオード（ＬＤ ｂａｒ）
２２ 光ファイバー（ｆｉｂｅｒ）
２３ ポッケルセル（ｐｏｃｋｅｌｓ ｃｅｌｌ）
３０ ビームダンパー（ｂｅａｍ ｄｕｍｐｅｒ）
３１ 冷却水通路、３２ ポンピングビームに触れる部位
３３ レーザービームが通過する穴
ＦＭ 全反射鏡
ＴＦＰ 薄膜偏光子
ＣＬ コリメーティングレンズ
ＦＬ 集束レンズ
ＤＭ ２色性鏡
Ｃ１、Ｃ２ レーザー結晶
ＣＭ 集束鏡
λ／２ 半波長板
λ／４ １／４波長板

Claims (11)

1. チャープパルス増幅技術を用いてレーザーパルス出力を増幅するレーザー装置であって、
   複数の異方性レーザー結晶を有し、前記異方性レーザー結晶を用いて相異なる利得スペクトル分布を結合する方式でスペクトルバンド幅を広げてさらに短いフェムト秒パルスを発生させ、レーザービームが前記異方性レーザー結晶を熱的特性の異なる軸方向に進行することにより熱的効果を分散させるレーザー共振器を含むことを特徴とする異方性レーザー結晶を用いたレーザー装置。
2. 前記異方性レーザー結晶は、Ｙｂ：ＫＹＷ、Ｙｂ：ＫＧＷ、Ｙｂ：ＫＬｕＷ、Ｙｂ：ＹＣＯＢから選択された何れか１つまたは２つ以上が組み合わされた２軸結晶であることを特徴とする請求項１に記載の異方性レーザー結晶を用いたレーザー装置。
3. 前記複数の異方性レーザー結晶の１つはＮｇ軸方向にカッティングされたＮｇカットであり、前記異方性レーザー結晶の他の１つはＮｐ軸方向にカッティングされたＮｐカットであるレーザー結晶で組み合わされて相異なる利得スペクトル分布を結合することを特徴とする請求項１に記載の異方性レーザー結晶を用いたレーザー装置。
4. 前記複数の異方性レーザー結晶において、ポンピング光源の全偏光方向はＮｍ軸と平行するようにし、レーザービームの偏光方向の１つはＮｍ軸と平行するようにし、前記レーザービームの偏光方向の他の１つはＮｐ軸と平行するようにして相異なる利得スペクトル分布を結合する方式でスペクトルバンド幅を広げることを特徴とする請求項３に記載の異方性レーザー結晶を用いたレーザー装置。
5. 前記複数の異方性レーザー結晶において、ポンピング光源の全偏光方向はＮｍ軸と平行するようにし、レーザービームの全偏光方向もＮｍ軸と平行するようにして最も高いパルス出力が得られることを特徴とする請求項３に記載の異方性レーザー結晶を用いたレーザー装置。
6. 前記異方性レーザー結晶の相異なる軸方向にレーザービームを進行するようにして熱的効果を分散させ、増幅されるレーザービームの非点収差を部分的に相殺させることを特徴とする請求項３に記載の異方性レーザー結晶を用いたレーザー装置。
7. パルス拡張器とパルス増幅器との間にスペクトル成形器を配置し、シードパルスを前記パルス増幅器に入射する前にパルスのスペクトルを所望する形態に成形して、パルスを増幅させる過程で発生する利得狭まり現象を抑制することを特徴とする請求項１に記載の異方性レーザー結晶を用いたレーザー装置。
8. 前記スペクトル成形器は、レーザー共振器の外部に設置されることを特徴とする請求項７に記載の異方性レーザー結晶を用いたレーザー装置。
9. 前記スペクトル成形器は２つの偏光板の間に複屈折石英板を配置して構成され、前記石英板の厚さ、回転方向を調整して様々な形態にスペクトルを成形することを特徴とする請求項７に記載の異方性レーザー結晶を用いたレーザー装置。
10. 前記複数の異方性レーザー結晶の間にビームダンパーを配置して、レーザー結晶で吸収できなかったポンピング光源の加熱による熱的効果によりレーザー共振器が変形することを防止することを特徴とする請求項１に記載の異方性レーザー結晶を用いたレーザー装置。
11. 前記異方性レーザー結晶は、イッテルビウムドーピング濃度が２〜４ａｔ．％であり、長さ３〜７ｍｍを有する結晶の大きさで形成されることを特徴とする請求項１に記載の異方性レーザー結晶を用いたレーザー装置。

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