JP2016012682A - Mode lock laser device and measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、モードロックレーザ装置及び計測装置に関する。 The present invention relates to a mode-locked laser device and a measurement device.
誘導ラマン散乱、2光子吸収による蛍光、アンチストークスラマン散乱などの非線形光学効果を利用して物質を同定あるいは観察する非線形光学計測装置は、医療や工業等において有用であることから、大きな注目を集めている。 Nonlinear optical measurement devices that identify or observe substances using nonlinear optical effects such as stimulated Raman scattering, fluorescence due to two-photon absorption, and anti-Stokes Raman scattering are useful in medical and industrial fields. ing.
非線形光学効果は、照射光のピークパワーが高いほど強く現れるため、非線形光学計測装置に用いられる光源には、高いピークパワーをもつパルスビームの出力が求められる。 Since the nonlinear optical effect becomes stronger as the peak power of the irradiation light is higher, the light source used in the nonlinear optical measurement apparatus is required to output a pulse beam having a higher peak power.
ピークパワーの高いパルスビームを出力し得る光源の1つとして、モードロック固体レーザ装置(モードロックレーザ装置)が知られている。モードロックレーザ装置は、レーザビームを共振させる共振器と、レーザビームに光エネルギーを与える利得媒体と、利得媒体を励起する励起光源とを備えている。利得媒体は共振器の内部に配置されており、励起光源から出力される励起光により励起される。励起された利得媒体は、誘導放出過程を介して、共振器内で共振するレーザビームに光エネルギーを与える。 A mode-locked solid-state laser device (mode-locked laser device) is known as one of light sources that can output a pulse beam with high peak power. The mode-locked laser device includes a resonator that resonates a laser beam, a gain medium that gives optical energy to the laser beam, and an excitation light source that excites the gain medium. The gain medium is disposed inside the resonator and is excited by the excitation light output from the excitation light source. The excited gain medium provides optical energy to the laser beam that resonates in the resonator via a stimulated emission process.
モードロックレーザ装置は、レーザビームの共振を周期的にオン/オフする変調機(モードロッカー)を備えている。一般に、モードロッカーの変調周期は、レーザビームが共振器を往復する時間(ラウンドトリップ時間)の逆数と一致するように調整されている。モードロッカーの変調周期がラウンドトリップ時間の逆数と一致するとき、発振するレーザビームが、パルス列(pulse train)として共振器から出力される。かかるレーザビームのパルス幅は、例えば1ナノ秒以下である。共振器から出力されるパルス列の繰り返し周期は、モードロッカーの変調周期、すなわちラウンドトリップ時間の逆数と等しくなる。このようなパルス列の発生機構は、モードロックと称される。 The mode-locked laser device includes a modulator (mode locker) that periodically turns on / off the resonance of the laser beam. In general, the modulation period of the mode locker is adjusted to coincide with the reciprocal of the time (round trip time) in which the laser beam reciprocates through the resonator. When the modulation period of the mode locker matches the reciprocal of the round trip time, an oscillating laser beam is output from the resonator as a pulse train. The pulse width of such a laser beam is, for example, 1 nanosecond or less. The repetition period of the pulse train output from the resonator is equal to the modulation period of the mode locker, that is, the reciprocal of the round trip time. Such a pulse train generation mechanism is called mode lock.
モードロックレーザ装置は、共振器内におけるレーザビームの光路長を適宜設定することにより、パルス幅や繰り返し周期を適宜設定し得る。レーザビームのパルス幅は、例えば数fs〜1nsの範囲内で適宜設定し得る。また、レーザビームの繰り返し周期は、例えば1MHz〜1GHzの範囲内で適宜設定し得る。このようにして生成されるレーザビームは、例えば1kW以上のピークパワーを有する。よって、モードロックレーザ装置は、非線形光学計測装置の光源として適している。 The mode-locked laser device can appropriately set the pulse width and the repetition period by appropriately setting the optical path length of the laser beam in the resonator. The pulse width of the laser beam can be appropriately set within a range of several fs to 1 ns, for example. Further, the repetition period of the laser beam can be appropriately set within a range of 1 MHz to 1 GHz, for example. The laser beam generated in this way has a peak power of, for example, 1 kW or more. Therefore, the mode-locked laser device is suitable as a light source for the nonlinear optical measurement device.
また、近時では、中心波長が互いに異なる2種類のパルスレーザビームを出力し得るモードロックレーザ装置も提案されている(非特許文献1参照)。 Recently, a mode-locked laser apparatus that can output two types of pulsed laser beams having different center wavelengths has been proposed (see Non-Patent Document 1).
しかしながら、中心波長が互いに異なる2種類のパルスレーザビームを出力するモードロックレーザ装置では、必ずしも良好な出力が得られない場合があった。 However, a mode-locked laser device that outputs two types of pulsed laser beams having different center wavelengths may not always obtain a satisfactory output.
本発明の目的は、中心波長が互いに異なる良好な第1のレーザビーム及び第2のレーザビームを出力し得るモードロックレーザ装置、及び、そのモードロックレーザ装置を用いた計測装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a mode-locked laser device capable of outputting a good first laser beam and a second laser beam having different center wavelengths, and a measuring device using the mode-locked laser device. is there.
本発明の一観点によれば、第1のミラーと、第2のミラーと、アウトプットカプラと、前記第1のミラーと前記アウトプットカプラとの間で往復する第1のレーザビームの光路上に位置するとともに、前記第2のミラーと前記アウトプットカプラとの間で往復する、前記第1のレーザビームの中心波長と異なる中心波長の第2のレーザビームの光路上に位置する利得媒体であって、前記第1のレーザビームのビームウエストと前記第2のレーザビームのビームウエストとが内部に位置する、利得媒体と、前記利得媒体を励起するための励起光源と、前記第1のレーザビームの前記光路上及び前記第2のレーザビームの前記光路上に配され、前記第1のレーザビームの前記光路と前記第2のレーザビームの前記光路とを分岐する光路分岐機構であって、前記アウトプットカプラと前記光路分岐機構との間においては、前記第1のレーザビームの前記光路と前記第2のレーザビームの前記光路とは一致しており、前記光路分岐機構と前記第1のミラーとの間における前記第1のレーザビームの前記光路と前記光路分岐機構と前記第2のミラーとの間における前記第2のレーザビームの前記光路とは互いに異なっている、光路分岐機構と、前記第1のレーザビームの焦点深度内の領域と前記第2のレーザビームの焦点深度内の領域とが互いに離間するように、前記第1のレーザビームの前記ビームウエストと前記第2のレーザビームの前記ビームウエストのうちの少なくとも一方の位置を調整するビームウエスト調整機構とを有することを特徴とするモードロックレーザ装置が提供される。 According to an aspect of the present invention, the first mirror, the second mirror, the output coupler, and the optical path of the first laser beam that reciprocates between the first mirror and the output coupler. And a gain medium positioned on the optical path of the second laser beam having a center wavelength different from the center wavelength of the first laser beam, and reciprocating between the second mirror and the output coupler. A gain medium in which a beam waist of the first laser beam and a beam waist of the second laser beam are located inside, an excitation light source for exciting the gain medium, and the first laser An optical path branching mechanism that is arranged on the optical path of the beam and the optical path of the second laser beam and divides the optical path of the first laser beam and the optical path of the second laser beam; Thus, between the output coupler and the optical path branching mechanism, the optical path of the first laser beam and the optical path of the second laser beam coincide with each other, and the optical path branching mechanism and the optical path branching mechanism The optical path of the first laser beam between the first mirror and the optical path of the second laser beam between the optical path branching mechanism and the second mirror are different from each other. The beam waist of the first laser beam and the second so that the mechanism and the region within the focal depth of the first laser beam and the region within the focal depth of the second laser beam are separated from each other. And a beam waist adjusting mechanism that adjusts the position of at least one of the beam waists of the laser beam.
本発明によれば、第1のレーザビームの焦点深度内の領域と第2のレーザビームの焦点深度内の領域とが互いに離間している。利得媒体内の同一箇所において第1のレーザビームと第2のレーザビームとにエネルギーが分割されるわけではないため、高出力の第1のレーザビーム及び第2のレーザビームを得ることができる。また、利得媒体4内の同一箇所でエネルギーの奪い合いが生じるわけではないため、第1のレーザビームの励起閾値と第2のレーザビームの励起閾値とが異なる場合であっても、安定した出力の第1のレーザビーム及び第2のレーザビームが得られる。このように、本発明によれば、中心波長が互いに異なる第1のレーザビーム及び第2のレーザビームを良好に出力し得るモードロックレーザ装置を提供することができる。
According to the present invention, the region within the focal depth of the first laser beam and the region within the focal depth of the second laser beam are separated from each other. Since the energy is not divided into the first laser beam and the second laser beam at the same location in the gain medium, a high-power first laser beam and second laser beam can be obtained. In addition, since energy contention does not occur at the same location in the
非線形光学計測装置における計測精度を向上させるためには、異なる中心波長を持つ2種類の超短パルスレーザビームを使用することが好ましい。例えば誘導ラマン散乱では、中心波長がλpのパルスレーザビームであるポンプ光と、中心波長がλsのパルスレーザビームであるストークス光とを使用することができる。ポンプ光パルスとストークス光パルスとを同時刻に被検体に照射すると、被検体において生じた非線形光学効果により、ポンプ光パルスのエネルギーの一部が、ストークス光パルスへと変換される。変換後におけるポンプ光パルスのエネルギーを測定することにより、被検体において生じた非線形光学効果の大きさを測定することができる。非線形光学計測装置の小型化を実現するためには、波長の異なる2種類のパルス列が1つの光源より出力されることが望ましい。 In order to improve the measurement accuracy in the nonlinear optical measurement apparatus, it is preferable to use two types of ultrashort pulse laser beams having different center wavelengths. For example, in stimulated Raman scattering, pump light that is a pulse laser beam having a center wavelength of λp and Stokes light that is a pulse laser beam having a center wavelength of λs can be used. When the subject is irradiated with the pump light pulse and the Stokes light pulse at the same time, a part of the energy of the pump light pulse is converted into the Stokes light pulse due to the nonlinear optical effect generated in the subject. By measuring the energy of the pump light pulse after conversion, the magnitude of the nonlinear optical effect generated in the subject can be measured. In order to reduce the size of the nonlinear optical measurement device, it is desirable that two types of pulse trains having different wavelengths are output from one light source.
図10(a)は、参考例によるモードロックレーザ装置の構成を示す概略図である。 FIG. 10A is a schematic diagram showing the configuration of a mode-locked laser device according to a reference example.
参考例によるモードロックレーザ装置は、共振器を構成するミラー91及び凹面ミラー92と、レーザビーム95の光エネルギーの一部を出力として取り出すアウトプットカプラ93とを備えている。また、参考例によるモードロックレーザ装置は、チタンサファイア結晶より成り、レーザビーム95に光エネルギーを与える利得媒体94と、利得媒体94を励起するための励起光源96と、モードロッカーとしての可飽和吸収体97とを備えている。また、参考例によるモードロックレーザ装置は、レーザビームの中心波長を選択するプリズム対98とダブルスリット99とを備えている。
The mode-locked laser device according to the reference example includes a
参考例によるモードロックレーザ装置では、プリズム対98を通過したレーザビーム95は、中心波長がλAのレーザビーム95aと中心波長がλBのレーザビーム95bとに分離される。ダブルスリット99は、レーザビーム95aの光路上及びレーザビーム95bの光路上に挿入されている。ダブルスリット99は、2つの開口部、即ち、開口部Aと開口部Bとを有している。レーザビーム95はプリズム対98によってレーザビーム95aとレーザビーム95bとに分離され、レーザビーム95aは開口部Aを通過し、レーザビーム95bは開口部Bを通過する。レーザビーム95は、ミラー91と部分反射ミラー93との間で共振し、発振する。レーザビーム95aとレーザビーム95bのラウンドトリップ時間は、共振器の長さが等しいことから、ほぼ等しい。よって、レーザビーム95aとレーザビーム95bとは、繰り返し周波数が等しいパルス列となる。レーザビーム95aの光軸とレーザビーム95bの光軸とは、プリズム対98と部分反射ミラー93との間で一致している。その結果、参考例によるモードロックレーザ装置は、異なる中心波長λA、λBのレーザビームA、Bを、光軸の一致したパルス列としてアウトプットカプラ93より出力することができる。
In the mode-locked laser device according to the reference example, the laser beam 95 that has passed through the
しかしながら、参考例によるモードロックレーザ装置では、出力されるパルス列のエネルギーが低くなってしまう。以下、この点について説明をする。 However, in the mode-locked laser device according to the reference example, the energy of the output pulse train becomes low. Hereinafter, this point will be described.
図10(b)は、利得媒体94の内部におけるレーザビーム95a、95bのビーム形状を概念的に示す図である。図10(b)の紙面左右方向がレーザビーム95a、95bの進行方向に対応している。図10(b)における実線は、レーザビーム95aの輪郭形状100aを示している。図10(b)における破線は、レーザビーム95bの輪郭形状100bを示している。
FIG. 10B conceptually shows the beam shapes of the
図10(c)は、レーザビームの断面強度分布、即ち、単位面積当たりのレーザビーム95の強度分布を示すグラフである。図10(c)における位置d0は、レーザビーム95の中心を表している。また、図10(c)における位置d1と位置d2は、レーザビーム95の中心における強度に対して、強度が1/e2に減少する位置を示している。位置d1、d2をレーザビーム95の進行方向に沿ってつないだものが、レーザビーム95の側面形状に相当する。また、位置d1と位置d2との間の距離Dが、レーザビーム95のビーム半径に相当する。
FIG. 10C is a graph showing the cross-sectional intensity distribution of the laser beam, that is, the intensity distribution of the laser beam 95 per unit area. A
図10(b)から分かるように、レーザビーム95aとレーザビーム95bとは、利得媒体94の内部において、ビーム半径が極小となるビームウエスト100を形成する。
As can be seen from FIG. 10B, the
また、図10(b)から分かるように、レーザビーム95aのビームウエストの位置WAと、レーザビーム95bのビームウエストの位置WBとは、ほぼ一致している。
Further, as can be seen from FIG. 10B, the beam waist position WA of the
利得媒体94で吸収される励起光のエネルギー(励起エネルギー)は、誘導放出過程を介して光エネルギーとなり、レーザビーム95aおよびレーザビーム95bに与えられる。誘導放出過程の強さはレーザビーム95a、95bの断面強度に比例するため、レーザビーム95a、95bのビームウエスト近傍で吸収された励起エネルギーが、実質的にレーザビーム95a、95bの光エネルギーとなる。すなわち、レーザビーム95aとレーザビーム95bとのビームウエストが重なっているため、同じ位置で吸収された励起エネルギーが、光エネルギーとしてレーザビーム95aとレーザビーム95bとに分割される。その結果、参考例によるモードロックレーザ装置は、1種類の中心波長のレーザビームを出射するモードロックレーザ装置と比較して、出力されるパルス列のエネルギーがほぼ半減してしまう。
The energy (excitation energy) of the excitation light absorbed by the
また、参考例によるモードロックレーザ装置では、レーザビーム95a、95bのビームウエストの位置が一致するため、励起エネルギーの奪い合いがレーザビーム95a、95b間で生じる。一方のレーザビームの励起閾値が他方のレーザビームの励起閾値よりも低い場合には、励起閾値の低いレーザビームのエネルギーが高くなり易い。レーザビームの励起閾値は、光学部品特性の波長依存性等の影響を受ける。光学部品特性の波長依存性は、環境温度等によっても変化することから、結果的に、中心波長が互いに異なる2種類のレーザビーム95a、95bの出力は不安定となる。
Further, in the mode-locked laser device according to the reference example, the positions of the beam waists of the
このように、参考例によるモードロックレーザ装置では、中心波長が互いに異なる2種類のレーザビームを必ずしも良好に出力し得なかった。 As described above, the mode-locked laser apparatus according to the reference example cannot always output two types of laser beams having different center wavelengths.
[第1実施形態]
本発明の第1実施形態によるモードロックレーザ装置について図面を用いて説明する。
[First Embodiment]
A mode-locked laser device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1(a)は、本実施形態によるモードロックレーザ装置の構成を示す概略図である。 FIG. 1A is a schematic diagram showing the configuration of the mode-locked laser device according to the present embodiment.
本実施形態によるモードロックレーザ装置は、中心波長が互いに異なる2種類の波長のパルスレーザビームを所定の繰り返し周期で出射する固体レーザ装置、即ち、2波長発振モーロドック固体レーザ装置である。ここでいう中心波長とは、パルス光の半値幅の中心における波長を指す。 The mode-locked laser device according to the present embodiment is a solid-state laser device that emits pulse laser beams having two different wavelengths having different center wavelengths at a predetermined repetition period, that is, a two-wavelength morrodoc solid-state laser device. The center wavelength here refers to the wavelength at the center of the half width of the pulsed light.
本実施形態によるモードロックレーザ装置は、ミラー21、22と、凹面ミラー23、24と、アウトプットカプラ25と、光路分岐機構111と、ビームウエスト調整機構12とを有しており、これらが相俟って共振器(光共振器)3を構成している。
The mode-locked laser device according to this embodiment includes
部分透過ミラーより成るアウトプットカプラ25と高反射平面ミラーであるミラー21との間で第1のレーザビーム1が往復するようになっている。ミラー21は、第1のレーザビーム1の光路の一端に位置している。また、部分透過ミラーより成るアウトプットカプラ25と高反射平面ミラーであるミラー22との間で第2のレーザビーム2が往復するようになっている。ミラー22は、第2のレーザビーム2の光路の一端に位置している。第1のレーザビーム1の中心波長λ1と第2のレーザビーム2の中心波長λ2とは互いに異なっている。第1のレーザビーム1の中心波長λ1は、例えば750nm程度とする。第2のレーザビーム2の中心波長λ2は、例えば850nm程度とする。アウトプットカプラ25は、第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2を反射する機能を有するとともに、第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2の一部を出力として取り出す機能をも有する。本発明において、部分透過ミラーとは、発振波長において70%以上99%未満の反射率を有するミラーをいい、高反射ミラーとは発振波長において99%以上の反射率を有するミラーをいう。
The
共振器3内を往復する第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2は、後述する利得媒体4を通過する際に、利得媒体4において生ずるレンズ効果(カーレンズ効果)によって変調される。かかるカーレンズ効果により、第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2のラウンドトリップ時間の逆数と等しい周期で、第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2がオン/オフする。この結果、第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2にモードロックがかかり、ラウンドトリップ時間の逆数と等しい繰り返し周波数で第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2がアウトプットカプラ25を介してパルス状に繰り返し出射される。繰り返し出力される第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2の出力は、パルス列とも称される。
The
光路分岐機構111は、第1のレーザビーム1の光路と第2のレーザビーム2の光路とを分岐するものである。光路分岐機構111は、第1のレーザビーム1の光路上及び第2のレーザビーム2の光路上に配されている。光路分岐機構111とアウトプットカプラ25との間においては、第1のレーザビーム1の光路(光軸)と第2のレーザビーム2の光路(光軸)とは一致している。一方、光路分岐機構111とミラー21との間における第1のレーザビーム1の光路(光軸)と、光路分岐機構111とミラー22との間における第2のレーザビーム2の光路(光軸)とは、互いに異なっている。
The optical
アウトプットカプラ25から凹面ミラー23に達する第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2が、凹面ミラー23により反射され、更に凹面ミラー24により反射されて、光路分岐機構111に達するように、凹面ミラー23、24が配されている。
The
本実施形態によるモードロックレーザ装置は、第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2に光エネルギーを与え、第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2を増幅する利得媒体4を更に有している。利得媒体4は、第1のレーザビーム1の光路上及び第2のレーザビーム2の光路上に位置している。より具体的には、利得媒体4は、凹面ミラー23と凹面ミラー24との間における第1のレーザビーム1の光路上及び第2のレーザビーム2の光路上に配されている。アウトプットカプラ25から凹面ミラー23に達する第1のレーザビーム及び第2のレーザビームが、凹面ミラー23により反射され、利得媒体4を経て、凹面ミラー24により更に反射されて、光路分岐機構111に達するように、利得媒体4が配されている。第1のレーザビーム1のビームウエストと第2のレーザビーム2のビームウエストは、利得媒体4の内部に位置する。
The mode-locked laser apparatus according to the present embodiment further includes a
本実施形態によるモードロックレーザ装置は、利得媒体4を励起するための励起光源6を更に有している。励起光源6から出射される励起光が利得媒体4に入射されるようになっている。
The mode-locked laser device according to the present embodiment further includes an
本実施形態によるモードロックレーザ装置は、ビームウエスト調整機構12を更に有している。ビームウエスト調整機構12は、第1のレーザビーム1のビームウエストと第2のレーザビーム2のビームウエストのうちの少なくとも一方の位置を調整するものである。ビームウエスト調整機構12は、例えば、光路分岐機構111により分岐された第1のレーザビーム1の光路上に配されている。
The mode-locked laser device according to the present embodiment further includes a beam
なお、ここでは、光路分岐機構111により分岐された第1のレーザビーム1の光路上にビームウエスト調整機構12を配する場合を例に説明するが、これに限定されるものではない。例えば、光路分岐機構111により分岐された第2のレーザビーム2の光路上にビームウエスト調整機構12を配するようにしてもよい。
Here, the case where the beam
第1のレーザビーム1の光路長と第2のレーザビーム2の光路長とが互いに等しい場合には、第1のレーザビーム1のビームウエストの位置W1と第2のレーザビーム2のビームウエストの位置W2とは、以下のような場合にずれる。即ち、第1のレーザビーム1のビームウエストの位置W1と第2のレーザビーム2のビームウエストの位置W2とは、利得媒体4に入射する際における第1のレーザビーム1の波面の曲率と第2のレーザビーム2の波面の曲率とが互いに異なっている場合にずれる。従って、ビームウエスト調整機構12は、第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2のうちの少なくとも一方の波面の曲率を変化させ得る機構であればよい。
When the optical path length of the
図2は、ビームウエスト調整機構の例を示す図である。 FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a beam waist adjusting mechanism.
図2(a)は、ビームウエスト調整機構12が凹面ミラー12aにより構成されている場合を示す図である。
FIG. 2A is a diagram showing a case where the beam
符号115aは、第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2が凹面ミラー12aに入射する前の段階における波面の形状を概念的に示している。符号115bは、第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2が凹面ミラー12aにより反射された後の段階における波面の形状を概念的に示している。
このように、凹面ミラー12aによりビームウエスト調整機構12を構成するようにしてもよい。
In this way, the beam
図2(b)は、ビームウエスト調整機構12が凸面ミラー12bにより構成されている場合を示す図である。
FIG. 2B is a diagram illustrating a case where the beam
符号116aは、第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2が凸面ミラー12bに入射する前の段階における波面の形状を概念的に示している。符号116bは、第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2が凸面ミラー12bにより反射された後の段階における波面の形状を概念的に示している。
このように、凸面ミラー12bによりビームウエスト調整機構12を構成するようにしてもよい。
As described above, the beam
図2(c)は、ビームウエスト調整機構12が凹面レンズ12cにより構成されている場合を示す図である。
FIG. 2C is a diagram illustrating a case where the beam
符号117aは、第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2が凹面レンズ12cに入射する前の段階における波面の形状を概念的に示している。符号117bは、第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2が凹面ミラー12cを通過した後の段階における波面の形状を概念的に示している。
このように、凹面レンズ12cによりビームウエスト調整機構12を構成するようにしてもよい。
In this manner, the beam
図2(d)は、ビームウエスト調整機構12が凸面レンズ12dにより構成されている場合を示す図である。
FIG. 2D is a diagram illustrating a case where the beam
符号118aは、第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2が凸面レンズ12dに入射する前の段階における波面の形状を概念的に示している。符号118bは、第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2が凸面ミラー12dを通過した後の段階における波面の形状を概念的に示している。
このように、凸面ミラー12dによりビームウエスト調整機構12を構成するようにしてもよい。
In this way, the beam
図1(b)は、利得媒体4の内部における第1のレーザビーム1のビーム形状及び第2のレーザビーム2のビーム形状を概念的に示す図である。図1(b)の紙面左右方向が第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2の進行方向に対応している。図1(b)における符号113は、第1のレーザビーム1の輪郭形状を示している。図1(b)における符号114は、第2のレーザビーム2の輪郭形状を示している。
FIG. 1B is a diagram conceptually showing the beam shape of the
図1(b)における符号z1は、第1のレーザビーム1の焦点深度を示している。図1(b)における符号z2は、第2のレーザビーム2の焦点深度を示している。図1(b)における符号S1は、第1のレーザビーム1の焦点深度z1内の領域、即ち、第1のレーザビーム1のレイリー領域を示している。図1(b)における符号S2は、第2のレーザビーム2の焦点深度z2内の領域、即ち、第2のレーザビーム2のレイリー領域を示している。図1(b)における符号W1は、第1のレーザビーム1のビームウエストの位置を示している。図1(b)における符号W2は、第2のレーザビーム2のビームウエストの位置を示している。図1(b)における符号D1は、第1のレーザビーム1のビームウエストにおけるビーム径を示している。図1(b)における符号D2は、第2のレーザビーム1のビームウエストにおけるビーム径を示している。
Reference sign z <b> 1 in FIG. 1B indicates the depth of focus of the
第1のレーザビーム1のビームウエストの位置w1、及び、第2のレーザビーム2のビームウエストの位置w2は、利得媒体4の内部に位置する。
The beam
第1のレーザビーム1の焦点深度z1は、ビームウエストのビーム径D1に対してビーム径Dが√2倍となる、光軸方向における2点間の距離である。即ち、第1のレーザビーム1の焦点深度z1は、ビームウエストのビーム径D1に対してビーム径Dが√2倍となっている箇所から、ビームウエストを経由し、更に、ビームウエストのビーム径D1に対してビーム径Dが√2倍となる箇所までの距離である。換言すれば、第1のレーザビーム1の焦点深度z1は、ビーム断面積(=πD2/4)がビームウエストにおけるビーム断面積の2倍となる、光軸方向における2点間の距離である。なお、焦点深度は、レイリー長さ(レイリー領域、レイリー距離)とも称される。
The focal depth z1 of the
第2のレーザビーム2の焦点深度z2は、ビームウエストのビーム径D2に対してビーム径Dが√2倍となる、光軸方向における2点間の距離である。即ち、第2のレーザビーム2の焦点深度z2は、ビームウエストのビーム径D2に対してビーム径Dが√2倍となっている箇所から、ビームウエストを経由し、更に、ビームウエストのビーム径D2に対してビーム径Dが√2倍となる箇所までの距離である。換言すれば、第2のレーザビーム2の焦点深度z2は、ビーム断面積がビームウエストにおけるビーム断面積の2倍となる、光軸方向における2点間の距離である。
The focal depth z2 of the
第1のレーザビーム1の断面強度分布がガウシアン分布で近似できる場合、第1のレーザビーム1の焦点深度z1は、第1のレーザビーム1のビーム径をD1、第1のレーザビーム1の中心波長をλ1とすると、以下のような式(1)により表される。
z1=2π(D1/2)2/λ1 ・・・(1)
When the cross-sectional intensity distribution of the
z1 = 2π (D1 / 2) 2 / λ1 (1)
また、第2のレーザビーム2の断面強度分布もガウシアン分布で近似できる場合、第2のレーザビーム2の焦点深度z2は、第2のレーザビーム2のビーム径をD2、第2のレーザビーム2の中心波長をλ2とすると、以下のような式(2)により表される。
z2=2π(D2/2)2/λ2 ・・・(2)
Further, when the cross-sectional intensity distribution of the
z2 = 2π (D2 / 2) 2 / λ2 (2)
第1のレーザビーム1の誘導放出過程の強さは、利得媒体4を通過する第1のレーザビーム1のビーム断面積に反比例する。また、第2のレーザビーム2の誘導放出過程の強さは、利得媒体4を通過する第2のレーザビーム2のビーム断面積に反比例する。第1のレーザビーム1のビーム断面積は、第1のレーザビーム1の焦点深度z1内の領域S1において十分に小さくなる。第2のレーザビーム2のビーム断面積は、第2のレーザビーム2の焦点深度z2内の領域S2において十分に小さくなる。このため、第1のレーザビーム1の増幅は、第1のレーザビーム1の焦点深度内の領域S1において主として行われる。また、第2のレーザビーム2の増幅は、第2のレーザビーム2の焦点深度内の領域S2において主として行われる。
The intensity of the stimulated emission process of the
本実施形態では、第1のレーザビーム1のビームウエストの位置W1と第2のレーザビーム2のビームウエストの位置W2との間の距離は、第1のレーザビームの焦点深度z1の1/2と第2のレーザビームの焦点深度z2の1/2との和より大きくなっている。このため、第1のレーザビーム1の焦点深度z1内の領域S1と第2のレーザビーム2の焦点深度z2内の領域S2とは、互いに離間しており、オーバーラップしていない。このため、第1のレーザビーム1と第2のレーザビーム2とは、利得媒体4の異なる箇所から光エネルギーを得て増幅される。利得媒体4内の同じ箇所からの光エネルギーが第1のレーザビーム1と第2のレーザビーム2とに分割されるわけではないため、本実施形態によれば、第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2の出力を大きくすることができる。
In the present embodiment, the distance between the beam waist position W1 of the
また、本実施形態では、第1のレーザビーム1の焦点深度z1内の領域S1と第2のレーザビーム2の焦点深度z2内の領域S2とが、互いに離間している。このため、本実施形態によれば、第1のレーザビーム1と第2のレーザビーム2とによるエネルギーの奪い合いが生じるのを抑制することができる。このため、本実施形態によれば、第1のレーザビーム1の励起閾値と第2のレーザビーム2の励起閾値とが互いに異なる場合であっても、安定した第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2を出力することができる。
In the present embodiment, the region S1 within the focal depth z1 of the
本実施形態によるモードロックレーザ装置は、例えば数fs〜1ns程度のパルス幅の第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2を、例えば1MHz〜1GHz程度の繰り返し周期でパルス状に出力し得る。第1のレーザビーム1や第2のレーザビーム2のパルス幅や繰り返し周期は、第1のレーザビーム1や第2のレーザビーム2の光路長を適宜設定することにより、所望の値に設定し得る。このようにして生成される第1のレーザビーム1や第2のレーザビーム2は、例えば1kW以上のピークパワーを有する。従って、本実施形態によるモードロックレーザ装置は、非線形光学計測装置の光源として非常に有用である。
The mode-locked laser device according to the present embodiment can output the
このように、本実施形態では、第1のレーザビーム1の焦点深度z1内の領域S1と第2のレーザビーム2の焦点深度z2内の領域S2とが互いに離間している。利得媒体4内の同一箇所において第1のレーザビーム1と第2のレーザビーム2にエネルギーが分割されるわけではないため、高出力の第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2を得ることができる。また、利得媒体4内の同一箇所でエネルギーの奪い合いが生じるわけではないため、第1のレーザビーム1の励起閾値と第2のレーザビーム2の励起閾値とが異なる場合であっても、安定した出力の第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2が得られる。このように、本実施形態によれば、中心波長が互いに異なる第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2を良好に出力し得るモードロックレーザ装置を提供することができる。
Thus, in the present embodiment, the region S1 within the focal depth z1 of the
[第2実施形態]
本発明の第2実施形態によるモードロックレーザ装置について図3を用いて説明する。図3(a)は、本実施形態によるモードロックレーザ装置の構成を示す図である。図1及び図2に示す第1実施形態によるモードロックレーザ装置と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
[Second Embodiment]
A mode-locked laser device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3A is a diagram showing the configuration of the mode-locked laser device according to the present embodiment. The same components as those of the mode-locked laser device according to the first embodiment shown in FIG. 1 and FIG.
本実施形態は、第1実施形態において上述したモードロックレーザ装置のより具体的な態様を示している。 This embodiment shows a more specific aspect of the mode-locked laser device described above in the first embodiment.
本実施形態では、ミラー21,22として、例えば高反射平面ミラーが用いられている。
In this embodiment, as the
また、本実施形態では、凹面ミラー23、24として、反射面の曲率が例えば5cm程度の凹面ミラーが用いられている。凹面ミラー23と凹面ミラー24との離間距離は、例えば5.5cm程度とする。
In the present embodiment, as the
また、本実施形態では、励起光源6として、YAGレーザの2倍波が用いられている。
In the present embodiment, a YAG laser double wave is used as the
また、本実施形態では、利得媒体4として、チタンサファイア結晶が用いられている。チタンサファイア結晶より成る利得媒体4は、カーレンズ効果を奏し、モードロッカーとして機能し得る。利得媒体4の厚さは、例えば5mm程度とする。利得媒体4への第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2の入射角がブリュースター角となるように設定されている。ブリュースター角は、例えば60°程度である。
In the present embodiment, a titanium sapphire crystal is used as the
本実施形態では、波長分割のための複数のプリズム(プリズム対)11a、11bと、プリズムミラー(全反射プリズム)13とにより、光路分岐機構111が構成されている。利得媒体4内を通過し、凹面ミラー24により反射される第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2は、プリズム11aを通過し、更に、他のプリズム11bを通過するようになっている。
In the present embodiment, an optical
第1のレーザビーム1と第2のレーザビーム2とは、中心波長が互いに異なっている。本実施形態の説明中に記載した具体的な数値は、第1のレーザビーム1の中心波長を750nm程度、第2のレーザビーム2の中心波長を850nm程度とした場合の設計例であり、第3実施形態以降も同様である。プリズム11a、11b内における屈折率は、光の波長によって異なるため、プリズム対11a、11bを通過した第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2の方向は互いに異なった方向となる。このため、第1のレーザビーム1の光路と第2のレーザビーム2の光路とは、プリズム対11a、11bによってまず分岐されることとなる。そして、第1のレーザビーム1の光路と第2のレーザビーム2の光路は、プリズムミラー13による反射によって更に分岐される。第1のレーザビーム1と第2のレーザビーム2とは、例えば、互いに反対の方向に進行するようにプリズムミラー13によって反射される。
The
本実施形態では、凹面ミラー12aによりビームウエスト調整機構が構成されている。凹面ミラー12aは、プリズムミラー13とミラー21との間における第1のレーザビーム1の光路上に配されている。凹面ミラー12aの反射面の曲率は、例えば13cm程度とする。プリズムミラー13から凹面ミラー12aに達する第1のレーザビーム1が、凹面ミラー12aにより反射されて、ミラー21に達するように、凹面ミラー12aが配されている。
In the present embodiment, a beam waist adjusting mechanism is configured by the
アウトプットカプラ25と凹面ミラー23との間の距離は、例えば50cm程度とする。凹面ミラー24とミラー21との間の光路の長さは、例えば60cm程度とする。凹面ミラー24とミラー22との間の光路の長さは、例えば60cm程度とする。凹面ミラー12aとミラー21との間の距離は、例えば10cm程度とする。
The distance between the
共振器3内における第1のレーザビーム1の光路長と共振器3内における第2のレーザビーム2の光路長とが互いに等しいため、第1のレーザビーム1と第2のレーザビーム2とは同じ繰り返し周期でパルス状に出射される。
Since the optical path length of the
図3(b)は、利得媒体4の内部における第1のレーザビーム1と第2のレーザビーム2のビーム径Dのシミュレーション値を表すグラフである。図3(b)における横軸は、位置を示しており、縦軸は、ビーム径Dを示している。
FIG. 3B is a graph showing simulation values of the beam diameter D of the
図3(b)から分かるように、第1のレーザビーム1の焦点深度z1は、約0.4mmである。また、図3(b)から分かるように、第2のレーザビーム2の焦点深度z2は、約1.2mmである。従って、第1のレーザビーム1の焦点深度z1の1/2と第2のレーザビーム2の焦点深度z2の1/2との和は、約0.8mmである。
As can be seen from FIG. 3B, the focal depth z1 of the
一方、図3(b)から分かるように、第1のレーザビーム1のビームウエストの位置W1と第2のレーザビーム2のビームウエストの位置W2との間の距離は、約0.9mmである。
On the other hand, as can be seen from FIG. 3B, the distance between the beam waist position W1 of the
従って、第1のレーザビーム1のビームウエストと第2のレーザビーム2のビームウエストとの間の距離は、第1のレーザビーム1の焦点深度z1の1/2と第2のレーザビーム2の焦点深度z2の1/2との和より大きくなっている。従って、第1のレーザビーム1の焦点深度z1内の領域S1と第2のレーザビーム2の焦点深度z2内の領域S2とは、互いに離間しており、オーバーラップしていない。
Accordingly, the distance between the beam waist of the
このように、本実施形態では、第1のレーザビーム1の焦点深度z1内の領域S1と第2のレーザビーム2の焦点深度z2内の領域S2とが互いに離間している。利得媒体4内の同一箇所において第1のレーザビーム1と第2のレーザビーム2にエネルギーが分割されるわけではないため、高出力の第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2を得ることができる。また、利得媒体4内の同一箇所でエネルギーの奪い合いが生じるわけではないため、第1のレーザビーム1の励起閾値と第2のレーザビーム2の励起閾値とが異なる場合であっても、安定した出力の第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2が得られる。このように、本実施形態によれば、中心波長が互いに異なる第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2を良好に出力し得るモードロックレーザ装置を提供することができる。
Thus, in the present embodiment, the region S1 within the focal depth z1 of the
[第3実施形態]
本発明の第3実施形態によるモードロックレーザ装置について図4を用いて説明する。図4は、本実施形態によるモードロックレーザ装置の構成を示す図である。図1乃至図3に示す第1及び第2実施形態によるモードロックレーザ装置と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
[Third Embodiment]
A mode-locked laser device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the mode-locked laser device according to the present embodiment. The same components as those of the mode-locked laser device according to the first and second embodiments shown in FIGS. 1 to 3 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted or simplified.
本実施形態は、凸面レンズ12dによりビームウエスト調整機構が構成されているものである。なお、第1のレーザビーム1の中心波長を750nm程度、第2のレーザビーム2の中心波長を850nm程度として、具体的な数値を示す。
In the present embodiment, a beam waist adjusting mechanism is configured by the
図4に示すように、ビームウエスト調整機構としての凸面レンズ12dが第1のレーザビーム1の光路上に配されている。より具体的には、凸面レンズ12dは、プリズムミラー13と全反射ミラー21との間における第1のレーザビーム1の光路上に配されている。
As shown in FIG. 4, a
アウトプットカプラ25と凹面ミラー23との間の距離は、例えば50cm程度とする。凹面レンズ24とミラー21との間の光路の長さは例えば60cmとする。凹面ミラー24とミラー22との間の光路の長さは、例えば60cm程度とする。凸面レンズ12dとミラー21との間の距離は、例えば10cmとする。凸面レンズ12dの焦点距離は、例えば6.5cmとする。
The distance between the
一般に、レーザビームの光路上に配された反射面の曲率がRの凹面ミラー12aと、焦点距離がfの凸面レンズ12dとは、R/2=fのとき、共振器を構成する上で等価とみなすことができる。上述したように、本実施形態における凸面レンズ12dの焦点距離fは、6.5cmである。また、上述したように、第2実施形態において用いられている凹面ミラー12aの反射面の曲率Rは、13cmである。従って、本実施形態における凸面レンズ12dと第2実施形態における凹面ミラー12aとは、共振器30を構成する上で等価とみなすことができる。
In general, a
従って、本実施形態においても、第2実施形態と同様に、第1のレーザビーム1のビームウエストの位置W1と第2のレーザビーム2のビームウエストの位置W2との間の距離は、約0.9mmとなる。
Accordingly, also in the present embodiment, as in the second embodiment, the distance between the beam waist position W1 of the
従って、本実施形態においても、第1のレーザビーム1のビームウエストと第2のレーザビーム2のビームウエストとの間の距離は、第1のレーザビーム1の焦点深度z1の1/2と第2のレーザビーム2の焦点深度z2の1/2との和より大きくなる。第1のレーザビームの焦点深度z1内の領域と第2のレーザビームの焦点深度z2内の領域とは、互いに離間しており、オーバーラップしていない。
Therefore, also in the present embodiment, the distance between the beam waist of the
このように、本実施形態においても、第1のレーザビームの焦点深度z1内の領域と第2のレーザビームの焦点深度z2内の領域とが互いに離間している。本実施形態においても、利得媒体4内の同一箇所において第1のレーザビーム1と第2のレーザビーム2にエネルギーが分割されるわけではないため、高出力の第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2を得ることができる。また、利得媒体4内の同一箇所でエネルギーの奪い合いが生じるわけではないため、第1のレーザビーム1の励起閾値と第2のレーザビーム2の励起閾値とが異なる場合であっても、安定した出力の第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2が得られる。このように、本実施形態によっても、中心波長が互いに異なる第1のレーザビーム1及び第2のレーザビームを良好に出力し得るモードロックレーザ装置を提供することができる。
Thus, also in the present embodiment, the region within the focal depth z1 of the first laser beam and the region within the focal depth z2 of the second laser beam are separated from each other. Also in this embodiment, the energy is not divided into the
[第4実施形態]
本発明の第4実施形態によるモードロックレーザ装置について図5を用いて説明する。図5は、本実施形態によるモードロックレーザ装置の構成を示す図である。図1乃至図4に示す第1乃至第3実施形態によるモードロックレーザ装置と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
[Fourth Embodiment]
A mode-locked laser device according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the mode-locked laser device according to the present embodiment. The same components as those of the mode-locked laser device according to the first to third embodiments shown in FIGS. 1 to 4 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified.
本実施形態によるモードロックレーザ装置は、凹面ミラー12aと凸面ミラー12bが相俟ってビームウエスト調整機構を構成している。
In the mode-locked laser device according to the present embodiment, the
凹面ミラー12aは、例えば第1のレーザビーム1の光路上に配されている。プリズムミラー13から凹面ミラー12aに達する第1のレーザビーム1が、凹面ミラー12aにより反射されて、ミラー21に達するように、凹面ミラー12aが配されている。
The
凸面ミラー12bは、例えば第2のレーザビーム2の光路上に配されている。プリズムミラー13から凸面ミラー12bに達する第2のレーザビーム2が、凸面ミラー12bによって反射されて、ミラー22に達するように、凸面ミラー12bが配されている。
The
図2を用いて上述したように、凹面ミラー12aと、凸面ミラー12bとは、レーザビーム1,2の波面の曲率を逆方向に変化させる。このため、第1のレーザビーム1のビームウエストの位置w1と第2のレーザビーム2のビームウエストの位置w2とは、利得媒体4の内部において互いに逆方向にずれる。このため、本実施形態では、第1のレーザビーム1のビームウエストの位置w1と第2のレーザビーム2のビームウエストの位置w2との間の距離を、より大きくすることができる。
As described above with reference to FIG. 2, the
なお、ここでは、第1のレーザビーム1の光路上に凹面ミラー12aを配し、第2のレーザビーム2の光路上に凸面ミラー12bを配したが、これに限定されるものではない。第1のレーザビーム1の波面の曲率と第2のレーザビーム2の波面の曲率とが互いに逆方向に変化するように、凹面ミラー12a、凸面ミラー12b、凹面レンズ12c、凸面レンズ12dを適宜組み合わせればよい。例えば、第1のレーザビーム1の光路上に凹面ミラー12aを配する場合には、第2のレーザビーム2の光路上に凸面ミラー12b又は凹面レンズ12cを配すればよい。また、第1のレーザビーム1の光路上に凸面ミラー12bを配する場合には、第2のレーザビーム2の光路上に凹面ミラー12a又は凸面レンズ12dを配すればよい。また、第1のレーザビーム1の光路上に凹面レンズ12cを配する場合には、第2のレーザビーム2の光路上に凹面ミラー12a又は凸面レンズ12dを配すればよい。また、第1のレーザビーム1の光路上に凸面レンズ12dを配する場合には、第2のレーザビーム2の光路上に凸面ミラー12b又は凹面レンズ12cを配すればよい。
Here, although the
このように、本実施形態では、第1のレーザビーム1の焦点深度z1内の領域S1と第2のレーザビーム2の焦点深度z2内の領域S2との離間距離がより大きくなる。このため、本実施形態によれば、より高出力の第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2を得ることができる。また、本実施形態によれば、より安定した出力の第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2が得られる。このように、本実施形態によれば、中心波長が互いに異なる第1のレーザビーム1及び第2のレーザビームをより良好に出力し得るモードロックレーザ装置を提供することができる。
Thus, in this embodiment, the separation distance between the region S1 within the focal depth z1 of the
[第5実施形態]
本発明の第5実施形態によるモードロックレーザ装置について図6を用いて説明する。図6(a)は、本実施形態によるモードロックレーザ装置の構成を示す図である。図1乃至図5に示す第1乃至第4実施形態によるモードロックレーザ装置と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
[Fifth Embodiment]
A mode-locked laser device according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6A is a diagram showing a configuration of the mode-locked laser device according to the present embodiment. The same components as those of the mode-locked laser devices according to the first to fourth embodiments shown in FIGS. 1 to 5 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified.
本実施形態によるモードロックレーザ装置は、第1のレーザビーム1の光路の一端に配されるミラーとして凹面ミラー12aが用いられており、第2のレーザビーム2の光路の一端に配されるミラーとして凸面ミラー12bが用いられているものである。
In the mode-locked laser device according to the present embodiment, a
本実施形態では、凹面ミラー12aとアウトプットカプラ25との間で第1のレーザビーム1が往復するようになっている。即ち、本実施形態では、凹面ミラー12aが、第1のレーザビーム1の光路の一端に配されるミラーを兼ねている。
In the present embodiment, the
また、本実施形態では、凸面ミラー12bとアウトプットカプラ25との間で第2のレーザビーム2が往復するようになっている。即ち、本実施形態では、凸面ミラー12bが、第2のレーザビーム2の光路の一端に配されるミラーを兼ねている。
In the present embodiment, the
凹面ミラー12aと凸面ミラー12bとが相俟って、ビームウエスト調整機構を構成している。
The
プリズムミラー13から凹面ミラー12aに達する第1のレーザビーム1が、凹面ミラー12aにより反射されて反対方向に折り返され、プリズムミラー13に達するように、凹面ミラー12aが配されている。また、プリズムミラー13から凸面ミラー12bに達する第2のレーザビーム2が、凸面ミラー12bにより反射されて反対方向に折り返され、プリズムミラー13に達するように凸面ミラー12bが配されている。
The
従って、凹面ミラー12a及び凸面ミラー12bは、ビームウエスト調整機構としての役割を果たすと共に、第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2を反射して共振器3内に戻す役割をも果たす。
Accordingly, the
凹面ミラー12aの反射面の曲率は、例えば23cm程度とする。凸面ミラー12bの反射面の曲率は、例えば80cm程度とする。
The curvature of the reflecting surface of the
図6(b)は、利得媒体4の内部における第1のレーザビーム1と第2のレーザビーム2のビーム径Dのシミュレーション値を示すグラフである。
FIG. 6B is a graph showing simulation values of the beam diameter D of the
図6(b)から分かるように、第1のレーザビーム1の焦点深度z1は、約0.8mmである。また、図6(b)から分かるように、第2のレーザビーム2の焦点深度z2は、約0.7mmである。また、図6(b)から分かるように、第1のレーザビーム1のビームウエストの位置W1と第2のレーザビーム2のビームウエストの位置W2との間の距離は、約1.0mmである。
As can be seen from FIG. 6B, the focal depth z1 of the
従って、本実施形態においても、第1のレーザビーム1のビームウエストと第2のレーザビーム2のビームウエストとの間の距離は、第1のレーザビーム1の焦点深度z1の1/2と第2のレーザビーム2の焦点深度z2の1/2との和より大きくなる。第1のレーザビームの焦点深度z1内の領域と第2のレーザビームの焦点深度z2内の領域とは、互いに離間しており、オーバーラップしていない。
Therefore, also in the present embodiment, the distance between the beam waist of the
このように、本実施形態においても、第1のレーザビームの焦点深度z1内の領域と第2のレーザビームの焦点深度z2内の領域とが互いに離間している。本実施形態においても、利得媒体4内の同一箇所において第1のレーザビーム1と第2のレーザビーム2にエネルギーが分割されるわけではないため、高出力の第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2を得ることができる。また、利得媒体4内の同一箇所でエネルギーの奪い合いが生じるわけではないため、第1のレーザビーム1の励起閾値と第2のレーザビーム2の励起閾値とが異なる場合であっても、安定した出力の第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2が得られる。このように、本実施形態においても、中心波長が互いに異なる第1のレーザビーム1及び第2のレーザビームを良好に出力し得るモードロックレーザ装置を提供することができる。
Thus, also in the present embodiment, the region within the focal depth z1 of the first laser beam and the region within the focal depth z2 of the second laser beam are separated from each other. Also in this embodiment, the energy is not divided into the
[第6実施形態]
本発明の第6実施形態によるモードロックレーザ装置について図7を用いて説明する。図7は、本実施形態によるモードロックレーザ装置の構成を示す図である。図1乃至図6に示す第1乃至第5実施形態によるモードロックレーザ装置と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
[Sixth Embodiment]
A mode-locked laser device according to a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a diagram showing the configuration of the mode-locked laser device according to the present embodiment. The same components as those of the mode-locked laser devices according to the first to fifth embodiments shown in FIGS. 1 to 6 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified.
本実施形態によるモードロックレーザ装置は、1つのプリズム11により光路分岐機構が構成されているものである。
In the mode-locked laser device according to the present embodiment, an optical path branching mechanism is configured by one
上述した第2乃至第5実施形態においては、プリズム対11a、11bとプリズムミラー13とにより光路分岐機構を構成したが、本実施形態では、波長分割のための1つのプリズム11により光路分岐機構が構成されている。
In the second to fifth embodiments described above, the optical path branching mechanism is configured by the prism pairs 11a and 11b and the
第1のレーザビーム1と第2のレーザビーム2とは、中心波長が互いに異なるものである。プリズム11内における屈折率は、光の波長によって異なるため、プリズム11を通過した第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2の方向は互いに異なった方向となる。このため、第1のレーザビーム1の光路と第2のレーザビーム2の光路とは、プリズム11によって分岐される。
The
また、本実施形態では、第1のレーザビーム1の光路の一端に配されるミラーとして凹面ミラー12aが用いられている。そして、本実施形態では、凹面ミラー12aとアウトプットカプラ25との間で第1のレーザビーム1が往復するようになっている。即ち、本実施形態では、凹面ミラー12aが、第1のレーザビーム1の光路の一端に配されるミラーを兼ねている。プリズム11から凹面ミラー12aに達した第1のレーザビームが、凹面ミラー12aにより反対方向に反射されてプリズム11に達するように、凹面ミラー12aが配されている。
In the present embodiment, the
第2のレーザビーム2の光路の一端には、高反射平面ミラーであるミラー22が設けられている。プリズム11からミラー22に達した第2のレーザビーム2が、ミラー22により反対方向に反射されてプリズム11に達するように、ミラー22が配されている。
At one end of the optical path of the
なお、ここでは、第1のレーザビーム1の光路の一端に凹面ミラー12aを配し、第2のレーザビーム2の光路の一端に高反射平面ミラーであるミラー22を配する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、第1のレーザビーム1の光路の一端に凹面ミラー12aを配し、第2のレーザビーム2の光路の一端に凸面ミラー12bを配するようにしてもよい。また、第1のレーザビーム1の光路の一端に凸面ミラー12bを配し、第2のレーザビーム2の光路の一端に凹面ミラー12aを配するようにしてもよい。また、第1のレーザビーム1の光路の一端に凸面ミラー12bを配し、第2のレーザビーム2の光路の一端に高反射平面ミラー22を配するようにしてもよい。第1のレーザビーム1と第2のレーザビーム2のビームウエスト間の距離が、第1のレーザビーム1の焦点深度z1の1/2と第2のレーザビーム2の焦点深度z2の1/2との和より大きくなるように、ビームウエスト調整機構を適宜構成すればよい。
Here, a case where a
このように、本実施形態においても、第1のレーザビーム1の焦点深度z1内の領域と第2のレーザビーム2の焦点深度z2の領域とが互いに離間している。本実施形態においても、利得媒体4内の同一箇所において第1のレーザビーム1と第2のレーザビーム2にエネルギーが分割されるわけではないため、高出力の第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2を得ることができる。また、利得媒体4内の同一箇所でエネルギーの奪い合いが生じるわけではないため、第1のレーザビーム1の励起閾値と第2のレーザビーム2の励起閾値とが異なる場合であっても、安定した出力の第1のレーザビーム1及び第2のレーザビーム2が得られる。このように、本実施形態においても、中心波長が互いに異なる第1のレーザビーム1及び第2のレーザビームを良好に出力し得るモードロックレーザ装置を提供することができる。
Thus, also in this embodiment, the area | region in the focal depth z1 of the
[第7実施形態]
本発明の第7実施形態による計測装置について図8を用いて説明する。図8は、本実施形態による計測装置の構成を示す図である。図1乃至図7に示す第1乃至第6実施形態によるモードロックレーザ装置と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
[Seventh Embodiment]
A measurement apparatus according to a seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a diagram showing the configuration of the measuring apparatus according to the present embodiment. The same components as those of the mode-locked laser device according to the first to sixth embodiments shown in FIGS. 1 to 7 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified.
本実施形態による計測装置(測定装置)は、第1乃至第6実施形態のいずれかによるモードロックレーザ装置が光源部150に用いられている計測装置(非線形光学計測装置)である。ここでは、本実施形態による計測装置が誘導ラマン散乱顕微鏡である場合を例に説明するが、誘導ラマン散乱顕微鏡に限定されるものではない。第1乃至第6実施形態において上述したモードロックレーザ装置は、様々な計測装置に適宜用いることができる。
The measurement device (measurement device) according to the present embodiment is a measurement device (nonlinear optical measurement device) in which the mode-locked laser device according to any one of the first to sixth embodiments is used for the
光源部150からは、ポンプ光(励起光)Pとストークス光Sとが出射されるようになっている。ポンプ光Pの中心波長はλpである。ストークス光Sの中心波長は、ポンプ光の中心波長λpと異なるλsである。ポンプ光Pは、例えば、第1乃至第6実施形態において上述した第1のレーザビーム1に対応している。ストークス光Sは、例えば、第1乃至第6実施形態において上述した第2のレーザビーム2に対応している。ポンプ光Pの光軸とストークス光Sの光軸とは、一致している。
Pumping light (excitation light) P and Stokes light S are emitted from the
光源部150から出射されたポンプ光P及びストークス光Sは、集光光学系154で集光されて被検体155に照射される。集光点においては、ポンプ光Pとストークス光Sとによって、被検体155を構成する分子の分子振動に基づく誘導ラマン散乱が生じる。誘導ラマン散乱が生じると、ポンプ光Pの強度及びストークス光Sの強度がそれぞれ変化する。
The pump light P and the Stokes light S emitted from the
被検体155を通過したポンプ光P及びストークス光Sは、集光光学系156により集光され、バンドパスフィルタ157に入射される。バンドパスフィルタ157は、ポンプ光Pの波長域の光を透過させるものである。ポンプ光Pは、バンドパスフィルタ157を通過し、信号光として受光素子158により受光される。
The pump light P and Stokes light S that have passed through the subject 155 are condensed by the condensing
受光素子158により取得された情報は、情報取得部159に入力されるようになっている。情報取得部159は、受光素子158により取得された情報に基づいて、画像情報を生成する。
Information acquired by the
受光素子158と情報取得部159とは、本実施形態による計測装置の検出部の一部を構成している。
The
情報取得部159により生成された画像情報は、必要に応じて表示部160を用いて表示される。
The image information generated by the
なお、光源部150から出力されるポンプ光P及びストークス光Sを、図示しない走査手段を用いて走査するようにしてもよい。集光点を適宜走査することにより、被検体155の二次元情報や三次元情報を取得することができる。
The pump light P and Stokes light S output from the
本実施形態によれば、安定した高出力のポンプ光及びストークス光を出射し得るモードロックレーザ装置が光源部150に用いられているため、強い信号光を安定して得ることができ、ひいては、被検体150について高精度な情報を取得することができる。
According to the present embodiment, since a mode-locked laser device that can emit stable high-power pump light and Stokes light is used in the
また、光源部150に用いられているモードロックレーザ装置の励起効率が高いため、計測装置全体としての消費電力を低減することもできる。
Moreover, since the excitation efficiency of the mode-locked laser device used in the
[変形実施形態]
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
[Modified Embodiment]
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible.
例えば、上記実施形態では、モードロッカーとして機能し得るチタンサファイア結晶より成る利得媒体4を用いる場合を例に説明したが、モードロッカーとして機能し得る他の光学部品を更に用いてもよい。例えば、レーザビームの強度によって透過率が変化する過飽和吸収体のモードロッカーを更に用いてもよい。かかる過飽和吸収体としては、例えば、色素、半導体、カーボンナノチューブ、グラフェン等が挙げられる。また、AO素子(Acousto Optic Element)より成るモードロッカーを更に用いてもよい。このようなモードロッカーは、第1のレーザビーム1の光路上や第2のレーザビーム2の光路上に適宜配すればよい。
For example, in the above embodiment, the case of using the
また、上記実施形態では、光路分岐機構に波長分割のためのプリズム11,11a、11bを用いたが、プリズム11、11a、11bの代わりに回折格子14を用いてもよい。図9は、回折格子を示す断面図である。回折格子14を用いた場合にも、第1のレーザビーム1の光路と第2のレーザビーム2の光路とを分岐することができる。例えば、図3(a)、図3、図5、図6に示すプリズム対11a、11bの代わりに、波長分割のための一対の回折格子11より成る回折格子対を配してもよい。また、図7に示す1つのプリズム11の代わりに、波長分割のための1つの回折格子14を配してもよい。
In the above embodiment, the
21、22、91…ミラー
23、24、12a、92…凹面ミラー
12b…凸面ミラー
12d…凸レンズ
25、93…アウトプットカプラ
111…光路分岐機構
12…ビームウエスト調整機構
6、96…励起光源、
4、94…利得媒体
1、2、95、95a、95b…レーザビーム
13…プリズムミラー
11、11a、11b、98…プリズム
99…ダブルスリット
97…可飽和吸収体
115a〜118a、115b〜118b…波面
100…ビームウエスト
113、114…ビーム輪郭形状
150…光源部
154…集光光学系
155…被検体
156…光集光光学系
157…バンドパスフィルタ
158…受光素子
159…情報取得部
21, 22, 91 ... mirrors 23, 24, 12a, 92 ...
4, 94:
Claims (8)
第2のミラーと、
アウトプットカプラと、
前記第1のミラーと前記アウトプットカプラとの間で往復する第1のレーザビームの光路上に位置するとともに、前記第2のミラーと前記アウトプットカプラとの間で往復する、前記第1のレーザビームの中心波長と異なる中心波長の第2のレーザビームの光路上に位置する利得媒体であって、前記第1のレーザビームのビームウエストと前記第2のレーザビームのビームウエストとが内部に位置する、利得媒体と、
前記利得媒体を励起するための励起光源と、
前記第1のレーザビームの前記光路上及び前記第2のレーザビームの前記光路上に配され、前記第1のレーザビームの前記光路と前記第2のレーザビームの前記光路とを分岐する光路分岐機構であって、前記アウトプットカプラと前記光路分岐機構との間においては、前記第1のレーザビームの前記光路と前記第2のレーザビームの前記光路とは一致しており、前記光路分岐機構と前記第1のミラーとの間における前記第1のレーザビームの前記光路と前記光路分岐機構と前記第2のミラーとの間における前記第2のレーザビームの前記光路とは互いに異なっている、光路分岐機構と、
前記第1のレーザビームの焦点深度内の領域と前記第2のレーザビームの焦点深度内の領域とが互いに離間するように、前記第1のレーザビームの前記ビームウエストと前記第2のレーザビームの前記ビームウエストのうちの少なくとも一方の位置を調整するビームウエスト調整機構と
を有することを特徴とするモードロックレーザ装置。 A first mirror;
A second mirror;
An output coupler,
The first mirror is positioned on the optical path of the first laser beam that reciprocates between the first mirror and the output coupler, and reciprocates between the second mirror and the output coupler. A gain medium positioned on an optical path of a second laser beam having a center wavelength different from the center wavelength of the laser beam, wherein the beam waist of the first laser beam and the beam waist of the second laser beam are inside A gain medium located;
An excitation light source for exciting the gain medium;
Optical path branching arranged on the optical path of the first laser beam and on the optical path of the second laser beam and for branching the optical path of the first laser beam and the optical path of the second laser beam The optical path of the first laser beam and the optical path of the second laser beam coincide with each other between the output coupler and the optical path branching mechanism, and the optical path branching mechanism And the optical path of the first laser beam between the first mirror and the optical path of the second laser beam between the optical path branching mechanism and the second mirror are different from each other. An optical path branching mechanism;
The beam waist of the first laser beam and the second laser beam such that a region within the focal depth of the first laser beam and a region within the focal depth of the second laser beam are separated from each other. And a beam waist adjusting mechanism for adjusting a position of at least one of the beam waists.
前記ビームウエスト調整機構は、前記光路分岐機構と前記第1のミラーとの間、及び、前記光路分岐機構と前記第2のミラーとの間のうちの少なくともいずれかに配されていることを特徴とする請求項1記載のモードロックレーザ装置。 The beam waist adjustment mechanism is a concave mirror, a convex mirror, a concave lens, a convex lens, or a combination thereof,
The beam waist adjusting mechanism is disposed at least one of between the optical path branching mechanism and the first mirror and between the optical path branching mechanism and the second mirror. The mode-locked laser device according to claim 1.
前記凹面ミラー又は前記凸面ミラーは、前記ビームウエスト調整機構を兼ねることを特徴とする請求項1記載のモードロックレーザ装置。 At least one of the first mirror and the second mirror is a concave mirror or a convex mirror,
The mode-locked laser device according to claim 1, wherein the concave mirror or the convex mirror also serves as the beam waist adjusting mechanism.
前記第1のレーザビーム及び前記第2のレーザビームを集光して被検体に照射する集光光学系と、
前記被検体を通過した前記第1のレーザビームを検出する検出部と
を有することを特徴とする計測装置。 A light source unit that includes the mode-locked laser device according to any one of claims 1 to 6, and that emits the first laser beam and the second laser beam in a pulse shape,
A condensing optical system for condensing the first laser beam and the second laser beam and irradiating the subject;
And a detection unit that detects the first laser beam that has passed through the subject.
Priority Applications (1)
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JP2014134167A JP2016012682A (en) | 2014-06-30 | 2014-06-30 | Mode lock laser device and measuring device |
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