JP2016119363A - モードロックレーザ装置及び計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出力されるレーザビームを広い波長域で可変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。【解決手段】第１のミラーと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、第２のミラーとアウトプットカプラとの間で往復する第２のレーザビームの光路上に位置する利得媒体と、励起光源と、光路分岐機構と、光路分岐機構と第１のミラーとの間における第１のレーザビームの光路上に配された可飽和吸収体と、光路分岐機構と第２のミラーとの間における第２のレーザビームの光路上に配され、第２のレーザビームの波長を可変にする波長可変機構とを有している。【選択図】図１

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。

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。

非線形光学効果は、照射光の電磁場強度が大き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。

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。

モードロックレーザ装置は、レーザビームに周期的に損失を与える変調器（モードロッカー）を備えている。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。

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。

また、近時では、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）。

M. R. X. de Barros and P. C. Becker, "Two-color synchronously mode-locked femtosecond Ti:sapphire laser", Optics Letters, Vol.18, Issue 8, pp. 631-633 (1993).

しかしながら、非特許文献１のモードロックレーザ装置では、出力されるレーザビームの波長を必ずしも十分に広い波長域で可変し得なかった。

本発明の目的は、出力されるレーザビームの波長を広い波長域で可変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。

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上に配された、又は、前記第１のミラーと一体化された可飽和吸収体と、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上に配され、前記第２のレーザビームの波長を可変にする波長可変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。

本発明によれば、可飽和吸収体が、光路分岐機構と第１のミラーとの間における第１のレーザビームの光路上に位置しており、第２のレーザビームの光路上には位置していない。このため、第１のレーザビームは可飽和吸収体によってパルス状となる一方、第２のレーザビームはパルス状となった第１のレーザビームが引き起こすカーレンズ効果によってパルス状となる。このため、第２のレーザビームの波長は、可飽和吸収体の動作波長域内に制限されない。従って、本発明によれば、出力されるレーザビームを広い波長域で可変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。

本発明の第１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。 利得媒体の利得波長域と可飽和吸収体の動作波長域と第１のパルスレーザビームの中心波長λ１と、第２のパルスレーザビームの中心波長λ２との関係を示す模式図である。 本発明の第２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。 利得媒体の利得波長域と、可飽和吸収体の動作波長域と、第１のパルスレーザビームの中心波長λ１、及び、第２のパルスレーザビーム２の中心波長λ２との関係を示す模式図である。 本発明の第３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。 本発明の第４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。 本発明の第５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。 本発明の第６実施形態による計測装置の構成を示す図である。 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。

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、波長が互いに異なる複数種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用いる。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る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。非線形光学測定装置の小型化を実現するためには、波長が異なる複数種のパルス列が１つの光源より出力されることが望ましい。

本発明の第１実施形態によるモードロックレーザ装置を説明するに先立って、参考例によるモードロックレーザ装置について説明する。図９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。

参考例によるモードロックレーザ装置は、波長の異なる２種類のパルスレーザビームを出力し得る２波長発振モードロック固体レーザ装置である。参考例によるモードロックレーザ装置は、平面ミラー８２と、凹面ミラー８１ａ〜８１ｄ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（部分反射ミラー）８９とを有しており、これらが相俟って共振器を構成している。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８６と、利得媒体８６を励起するための励起光源８８と、モードロッカーとしての可飽和吸収体８３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、レーザビームを分割するプリズム（プリズム対）９８ａ、９８ｂと、レーザビームの中心波長を選択するダブルスリット９９とを備えている。ダブルスリット９９は２つの開口部、即ち、開口部９９ａと開口部９９ｂとを有している。レーザビーム９５は、プリズム９８ａ、９８ｂによってレーザビーム９５ａとレーザビーム９５ｂとに分割される。ダブルスリット９９の開口部９９ａはレーザビーム９５ａの光路上に位置しており、ダブルスリット９９の開口部９９ｂはレーザビーム９５ｂの光路上に位置している。このため、レーザビーム９５ａはダブルスリット９９の開口部９９ａを通過し、レーザビーム９５ｂはダブルスリット９９の開口部９９ｂを通過する。即ち、プリズム９８ａ、９８ｂを通過したレーザビーム９５は、ダブルスリット９９の２つの開口部９９ａ，９９ｂによって、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とに分割される。

レーザビーム９５は、ミラー８２とアウトプットカプラ８９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とが共振する共振器長はほぼ等しいため、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ほぼ等しくなる。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９８ａとアウトプットカプラ８９との間で一致している。このため、参考例によるモードロックレーザ装置では、中心波長λＡ、λＢが互いに異なるパルスレーザビーム９５ａ、９５ｂを、光軸の一致したパルス列としてアウトプットカプラ８９を介して出力することができる。

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、出力されるパルスレーザビームの波長を必ずしも十分に広い波長域で可変し得なかった。以下、この点について説明する。

参考例によるモードロックレーザ装置には、上述したように、可飽和吸収体８３が設けられている。可飽和吸収体８３は、強度が低い入射光に対しては吸収体として働き、強度が高い入射光に対しては吸収体としての能力が飽和して透明体として働く物質である。このため、可飽和吸収体８３は、高いピーク強度をもつパルスレーザビームが入射した場合にのみ開くゲートとして機能する。従って、可飽和吸収体８３は、高いピーク強度をもつパルスレーザビームのみを共振器内で共振させるモードロッカーとして機能する。

参考例によるモードロックレーザ装置では、２種類の蛍光物質の混合物を用いた可飽和吸収体８３が用いられている。かかる２種類の蛍光物質としては、ＨＩＴＣＩとＩＲ１４０とが用いられている。ＨＩＴＣＩとＩＲ１４０との混合物を用いた可飽和吸収体８３の吸収スペクトル（吸収波長域、動作波長域）は、約７５０〜８７５ｎｍである。従って、可飽和吸収体８３の吸収波長域である約７５０〜８７５ｎｍが、可飽和吸収体８３がモードロッカーとして機能し得る動作波長域（動作範囲）となる。

参考例によるモードロックレーザ装置では、パルスレーザビーム９５ａの発振波長は、７７０〜７９０ｎｍとなっており、パルスレーザビーム９５ｂの発振波長は、８４０〜８６０ｎｍとなっている。即ち、パルスレーザビーム９５ａ、９５ｂの発振波長は、可飽和吸収体８３の吸収波長域内となっている。パルスレーザビーム９５ａ、９５ｂの発振波長が可飽和吸収体８３の吸収波長域内となるのは、可飽和吸収体８３の吸収波長域外においては可飽和吸収体８３がモードロッカーとして機能し得ず、レーザビームをパルス状にし得ないためである。このように、参考例によるモードロックレーザ装置では、出力されるパルスレーザビーム９５ａ、９５ｂの発振波長は、可飽和吸収体８３の吸収波長域によって制限されていた。

利得媒体８６として用いられているチタンサファイア結晶の利得波長域は、約６５０〜１０００ｎｍである。即ち、利得媒体８６の利得波長域は、可飽和吸収体８３の吸収波長域に対して著しく広い。参考例によるモードロックレーザ装置では、出力されるパルスレーザビーム９５ａ、９５ｂの発振波長が可飽和吸収体８３の吸収波長域内に制限されており、利得媒体８６が有している広い利得波長域を十分に活用し得ていなかった。

可飽和吸収体の材料としては、蛍光物質の他に、半導体、カーボンナノチューブ、グラフェン等も提案されている。

しかし、これらの材料を可飽和吸収体８３の材料として用いても、利得媒体８６の利得波長域に匹敵するような広い吸収波長域は得られない。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

［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。

図１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。

本発明によるモードロックレーザ装置は、波長が互いに異なる２種類のパルスレーザビームを所定の繰り返し周期で射出する固体レーザ装置、即ち、２波長発振モードロック固体レーザ装置である。なお、本願明細書において、レーザビームの中心波長とは、レーザビームのスペクトルの半値幅の中心における波長を意味する。

本実施形態によるモードロックレーザ装置は、ミラー（凹面ミラー）１ａ〜１ｄと、ミラー（平面ミラー）２ａ、２ｂと、アウトプットカプラ９と、光路分岐機構５とを有しており、これらが相俟って共振器（光共振器）１０を構成している。

部分透過ミラー（部分反射ミラー）より成るアウトプットカプラ９と高反射平面ミラーであるミラー２ａとの間で第１のレーザビーム１１ａが往復するようになっている。ミラー２ａは、第１のレーザビーム１１ａ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９と高反射平面ミラーであるミラー２ｂとの間で第２のレーザビーム１１ｂが往復するようになっている。ミラー２ｂは、第２のレーザビーム１１ｂの光路の一端に位置している。第１のレーザビーム１１ａの中心波長（発振波長）λ１と第２のレーザビーム１１ｂの中心波長（発振波長）λ２とは互いに異なっている。第１のレーザビーム１１ａ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１１ｂの中心波長λ２は、例えば８２５ｎｍ〜９７５ｎｍの範囲で可変し得る。アウトプットカプラ９は、第１のレーザビーム１１ａ及び第２のレーザビーム１１ｂを反射する機能を有するとともに、第１のレーザビーム１１ａ及び第２のレーザビーム１１ｂの一部を出力として取り出す機能をも有する。なお、本願明細書において、部分透過ミラーとは、レーザビームの発振波長において７０％以上９９％未満の反射率を有するミラーを意味し、高反射ミラーとはレーザビームの発振波長において９９％以上の反射率を有するミラーを意味する。

光路分岐機構（光路分割機構）５は、第１のレーザビーム１１ａの光路と第２のレーザビーム１１ｂとを異なる光路に分岐（分割）するものである。光路分岐機構５は、第１のレーザビーム１１ａの光路上及び第２のレーザビーム１１ｂの光路上に配されている。光路分岐機構５とアウトプットカプラ９との間においては、第１のレーザビーム１１ａの光路（光軸）と第２のレーザビーム１１ｂの光路（光軸）とは一致している。一方、光路分岐機構５とミラー２ａとの間における第１のレーザビーム１１ａの光路（光軸）と、光路分岐機構５とミラー２ｂとの間における第２のレーザビーム１１ｂの光路（光軸）とは、互いに異なっている。

アウトプットカプラ９から凹面ミラー１ａに達する第１のレーザビーム１１ａ及び第２のレーザビーム１１ｂが、凹面ミラー１ａ〜１ｄにより順次反射されて、光路分岐機構５に達するように、凹面ミラー１ａ〜１ｄが配されている。即ち、アウトプットカプラ９から凹面ミラー１ａに達する第１のレーザビーム１１ａ及び第２のレーザビーム１１ｂは、凹面ミラー１ａにより反射され、更に凹面ミラー１ｂにより反射されて、凹面ミラー１ｃに達するようになっている。凹面ミラー１ｂから凹面ミラー１ｃに達する第１のレーザビーム１１ａ及び第２のレーザビーム１１ｂは、凹面ミラー１ｃにより反射され、更に凹面ミラー１ｄにより反射されて、光路分岐機構５に達するようになっている。

中心波長がλ１の第１のレーザビーム１１ａは、ミラー２ａと光路分岐機構５との間の光路上及び光路分岐機構５とアウトプットカプラ９との間の光路上を伝搬し、共振することができる。また、中心波長がλ２の第２のレーザビーム１１ｂは、ミラー２ｂと光路分岐機構５との間の光路上及び光路分岐機構５とアウトプットカプラ９との間の光路上を伝搬し、共振することができる。光路分岐機構５により分岐された一方のレーザビームである第１のレーザビーム１１ａが伝搬する、光路分岐機構５とミラー２ｂとの間の光路１２ａを、第１の光路と称することとする。また、光路分岐機構５により分岐された他方のレーザビームである第２のレーザビーム１１ｂが伝搬する、光路分岐機構５とミラー２ｂとの間の光路１２ｂを、第２の光路と称することとする。また、第１のレーザビーム１１ａと第２のレーザビーム１１ｂの両者が伝搬する光路分岐機構５とアウトプットカプラ９との間の光路１２ｃを、第３の光路と称することとする。

ミラー２ａとアウトプットカプラ９との間で往復する第１のレーザビーム１１ａの光路長と、ミラー２ｂとアウトプットカプラ９との間で往復する第２のレーザビーム１１ｂの光路長とが一致するように、ミラー２ａ、２ｂの位置が調整されている。

第１の光路１２ａ上、即ち、ミラー２ａと光路分岐機構５との間における第１のレーザビーム１１ａの光路１２ａ上には、可飽和吸収体３が配置されている。また、第３の光路１２ｃ上、即ち、アウトプットカプラ９と光路分岐機構５との間における第１のレーザビーム１１ａ及び第２のレーザビーム１１ｂの光路１２ｃ上には、利得媒体（利得媒質）６と、カーレンズ媒体（カーレンズ媒質）７とが配置されている。利得媒体６は、凹面ミラー１ｃと凹面ミラー１ｄとの間に位置している。カーレンズ媒体７は、凹面ミラー１ａと凹面ミラー１ｂとの間に位置している。ここでカーレンズ媒体とは、３次の非線形効果により、その屈折率が光の強度に依存して変化する物質である。

また、第２の光路１２ｂ上、即ち、ミラー２ｂと光路分岐機構５との間における第２のレーザビーム１１ｂの光路１２ｂ上には、第２のレーザビーム１１ｂの中心波長λ２を調整するための波長可変機構４が配置されている。

第１の光路１２ａ及び第３の光路１２ｃにおいて共振するビーム１１ａは、励起光源８によって励起された利得媒体６により光エネルギーを受け取り、第１の光路１２ａ上に位置する可飽和吸収体３により損失変調を受けて、パルス状のレーザビームとなる。第１のパルスレーザビーム１１ａのパルス幅は、例えば１ｎｓ以下となる。こうして生成されるパルス状のレーザビーム（第１のパルスレーザビーム、第１のレーザビーム）１１ａは、第３の光路１２ｃ上に位置するカーレンズ媒体７内を伝搬する際に、カーレンズ媒体７の屈折率を変調する。第１のレーザビーム１１ａがパルス状であるため、カーレンズ媒体７の屈折率は周期的に変調される。第１のレーザビーム１１ａがカーレンズ媒体７内を通過する際に生じる周期的な屈折率変化は、カーレンズ媒体７内を伝搬して共振するビーム１１ｂのビーム径を周期的に変化させる。具体的には、以下のとおりである。利得媒体６から光エネルギーを受け取った光は、共振器１０の中を各ミラーで反射されながら往復する。このような光の往復の際、ミラーにおける透過、ミラーでの散乱、他の光学部品での吸収等によって生じる光エネルギーの損失よりも、利得媒体６から受け取る光エネルギーの方が大きくなると、共振条件を満たし、レーザビームとなる。ここで、共振器１０の環境揺らぎ（熱、振動、宇宙線など）により、偶発的にレーザビームがパルス状態（パルスレーザビーム）になると、パルスレーザビームがカーレンズ媒体７を周期的に通過する際に、カーレンズ媒体７の屈折率に変化が生じる。このカーレンズ媒体７の屈折率変化によって、カーレンズ媒体７は、周期的に焦点距離が変わるレンズして作用し、パルスレーザビームのビーム径を周期的に変化させる。このようなビーム径の周期的な変化は、共振器１０におけるビームの散乱状態を周期的に変化させ、ビーム１１ｂに周期的な損失をもたらす。このような状態に至ったパルスレーザビームは安定状態となり、以後、共振器１０の内部でパルスレーザビームが共振状態となる。即ち、第２の光路１２ｂ及び第３の光路１２ｃにおいて共振するビーム１１ｂは、励起光源８によって励起された利得媒体６により光エネルギーを受け取り、第３の光路１２ｃ上に位置するカーレンズ媒体７より周期的に損失変調を受け、パルス状のレーザビームとなる。こうして生成されるパルス状のレーザビーム（第２のパルスレーザビーム、第２のレーザビーム）１１ｂの中心波長λ２は、波長可変機構４により調整し得る。第２のパルスレーザビーム１１ｂのパルス幅は、例えば１ｎｓ以下となる。

図２は、利得媒体の利得波長域と、可飽和吸収体の動作波長域と、第１のパルスレーザビームの中心波長λ１と、第２のパルスレーザビームの中心波長λ２との関係を示す模式図である。

第１のレーザビーム１１ａは、可飽和吸収体３を用いてパルス状にされるため、第１のレーザビーム１１ａの中心波長λ１は、可飽和吸収体３の動作波長域内に位置する。

一方、第２のレーザビーム１１ｂは、可飽和吸収体３を用いることなく、上記のようにしてパルス状にされる。このため、第２のレーザビーム１１ｂの中心波長λ２は、可飽和吸収体３の動作波長域内に制限されることはなく、利得媒体６の利得波長域内において任意に選択し得る。従って、本実施形態によれば、出力されるレーザビームを広い波長域で可変することができる。

このように、本実施形態によれば、可飽和吸収体３が、光路分岐機構５とミラー２ａとの間における第１のレーザビーム１１ａの光路上に配されており、第２のレーザビーム１１ｂの光路上には配されていない。第１のレーザビーム１１ａは可飽和吸収体３によってパルス状となる一方、第２のレーザビーム１１ｂはパルス状となった第１のレーザビーム１１ａが引き起こすカーレンズ効果によってパルス状となる。このため、第２のレーザビーム１１ｂは、可飽和吸収体３の動作波長域内に制限されない。従って、本実施形態によれば、出力されるレーザビームを広い波長域で可変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。

［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。

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。

本実施形態では、利得媒体６として、例えばチタンサファイア結晶が用いられている。利得媒体６を励起する励起光源８としては、例えばＹＡＧレーザの２倍高調波（波長５３２ｎｍ）を出力する励起光源が用いられている。利得媒体６の利得波長域は、例えば６５０〜１０００ｎｍ程度となっている。

カーレンズ媒体７としては、例えばサファイア結晶板が用いられている。サファイア結晶板は、利得媒体６として用いられているチタンサファイア結晶の利得波長域である例えば６５０〜１０００ｎｍの波長域において高い透過率を示し、且つ、パルスレーザビーム１１ａ、１１ｂが入射した際に屈折率が変化する。従って、サファイア結晶板は、カーレンズ媒体として機能し得る。

パルスレーザビーム１１ａ、１１ｂの光路を分岐する光路分岐機構５は、プリズム（プリズム対）５１ａ、５１ｂとプリズムミラー５２とにより構成されている。凹面ミラー１ｄにより反射された後にプリズム５１ａに入射される、互いに異なる波長のレーザビーム１１ａ、１１ｂは、プリズム５１ａ、５１ｂによって異なった角度に屈折された後、プリズムミラー５２によって分岐される。本実施形態では、例えば波長が７００ｎｍ以上、８００ｎｍ未満の第１のレーザビーム１１ａは、プリズムミラー５２によって第１の光路１２ａに導かれる。また、例えば波長が８００ｎｍ以上、１０００ｎｍ以下の第２のレーザビーム１１ｂは、プリズムミラー５２によって第２の光路１２ｂに導かれる。

ミラー（平面ミラー）２ｂと、ミラー（凹面ミラー）１ａ〜１ｆと、アウトプットカプラ９と、光路分岐機構５とが相俟って、共振器１０を構成している。ミラー１ｆは、第１の光路１２ａの一端に位置している。第１のレーザビーム１１ａは、光路分岐機構５により分岐された後に、ミラー１ｅにより反射され、ミラー１ｆに達するようになっている。ミラー２ｂは、第２の光路１２ｂの一端に位置している。アウトプットカプラ９は、第３の光路の一端に位置している。共振器１０内において共振するレーザビーム１１ａ、１１ｂの一部は、アウトプットカプラ９を介して、モードロックレーザ装置の外部に出力される。アウトプットカプラ９の反射率は、例えば８０〜９９％の範囲内であり、レーザビーム１１ａ、１１ｂの出力や発振閾値など、必要とされる仕様に応じて適宜選択し得る。

プリズム５１ａ、５１ｂ、平面ミラー２ｂ、凹面ミラー１ａ〜１ｆ、及び、アウトプットカプラ９は、利得媒体６の利得波長域である例えば６５０〜１０００ｎｍの範囲において適切な光学部品として機能し得るように設計されている。

可飽和吸収体３としては、例えば、光強度に対してその透過率が変化する半導体可飽和吸収体が用いられている。カーレンズ媒体７が、光強度に依存する屈折率変化により周期的な損失を生じさせるのと同様に、半導体可飽和吸収体３はその透過率が光強度に依存することにより、パルスレーザビームに周期的な損失を生じさせる。かかる半導体可飽和吸収体は、例えば７２５〜７７５ｎｍの波長域において、連続波（ＣＷ）レーザビームに対する透過率が約９４％となり、パルスレーザビームに対する透過率が約９９％となる。半導体可飽和吸収体としては、例えば、低温成長したＩｎＧａＡｓ層、ＡｌＧａＡｓ層、ＧａＡｓ層、ＩｎＧａＡｓ層等が挙げられる。

第１の光路１２ａ及び第３の光路１２ｃにおいて共振するレーザビームは、可飽和吸収体３による周期的な損失によって、中心波長が例えば７５０ｎｍ程度のパルス状のレーザビーム、即ち、第１のパルスレーザビーム１１ａとなる。第１のパルスレーザビーム１１ａは、第３の光路１２ｃ上に配されたカーレンズ媒体７内を伝搬する際に、カーレンズ媒体７の屈折率を変調する。一方、第２の光路１２ｂ上には、レーザビームの共振波長を選択する波長可変機構４が配置されている。波長可変機構４としては、例えば可動スリット４１が用いられている。光路分岐機構５によって第２の光路１２ｂに導かれるレーザビームのうちから、例えば幅５０ｎｍのスペクトルのレーザビームが可動スリット４１によって抽出される。可動スリット４１を図３に示す矢印の方向に適宜移動させることによって、可動スリット４１により抽出されるレーザビームの中心波長を、例えば８２５ｎｍ〜９７５ｎｍの範囲内で可変することができる。可動スリット４１を通過するレーザビーム１１ｂは、第２の光路１２ｂ及び第３の光路１２ｃにおいて共振する。こうして、第２の光路１２ｂ及び第３の光路１２ｃにおいて、第２のレーザビーム１１ｂがレーザ発振する。第１のパルスレーザビーム１１ａの伝搬によってカーレンズ媒体７内において生じる周期的な屈折率変化は、カーレンズ媒体７内を伝搬する第２のレーザビーム１１ｂのビーム径を周期的に変化させる。第２のレーザビーム１１ｂのビーム径の周期的な変化は、励起光と第２のレーザビーム１１ｂとが利得媒体６内において重なり合う面積を変化させ、第２のレーザビーム１１ｂに周期的な損失をもたらす。このような周期的な損失によって、第２のレーザビーム１１ｂはパルス状のレーザビーム（第２のパルスレーザビーム）となる。第２のパルスレーザビーム１１ｂの中心波長は、可動スリット４１を適宜移動させることによって、例えば８２５ｎｍ〜９７５ｎｍの波長域において調整することができる。

図４は、利得媒体の利得波長域と、可飽和吸収体の動作波長域と、第１のパルスレーザビームの中心波長λ１と、第２のパルスレーザビーム２の中心波長λ２との関係を示す模式図である。

本実施形態によるモードロックレーザ装置では、第１のレーザビーム１１ａは可飽和吸収体３によってパルス状となるため、第１のレーザビーム１１ａの中心波長λ１は、可飽和吸収体３の動作波長域内に制限される。一方、第２のレーザビーム１１ｂはカーレンズ媒体７におけるカーレンズ効果によってパルス状となるため、可飽和吸収体３の動作波長域による制約を受けない。このため、本実施形態では、第２のレーザビーム１１ｂの発振波長λ２は、利得媒体６の利得波長域内で任意に選択することができる。このため、本実施形態によれば、出力されるレーザビームを広い波長域で可変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。

［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。

本実施形態によるモードロックレーザ装置は、回折格子（回折格子対）５３ａ、５３ｂとプリズムミラー５２とにより光路分岐機構５ａが構成されているものである。

ミラー（平面ミラー）２ｂと、ミラー（凹面ミラー）１ａ〜１ｆと、アウトプットカプラ９と、光路分岐機構５ａとが相俟って、共振器１０を構成している。

利得媒体６、可飽和吸収体３、カーレンズ媒体７、ミラー２ｂ、アウトプットカプラ９、及び、凹面ミラー１ａ〜１ｆは、第２実施形態と同様に配置されており、第２実施形態と同様に機能する。

回折格子５３ａ、５３ｂによって分離される２つのレーザビーム間の角度（分離角）は、プリズム５１ａ、５１ｂを用いて分離される２つのレーザビーム間の角度（分離角）よりも大きい。従って、回折格子５３ａ、５３ｂとプリズムミラー５２とを用いて光路分岐機構５ａを構成した場合には、回折格子５３ａと回折格子５３ｂとの間の距離Ｌを短くすることができる。このため、本実施形態によれば、モードロックレーザ装置の小型化を実現することができる。

［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６を用いて説明する。図６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。

本実施形態によるモードロックレーザ装置は、波長が互いに異なる３種類のパルスレーザビームを所定の繰り返し周期で射出する固体レーザ装置、即ち、３波長発振モードロック固体レーザ装置である。

本実施形態では、回折格子５３ａ〜５３ｄとプリズムミラー５２とにより光路分岐機構５ｂが構成されている。ミラー（平面ミラー）２ｂと、ミラー（凹面ミラー）１ａ〜１ｆと、アウトプットカプラ９と、光路分岐機構５ｂとが相俟って、共振器１０を構成している。

平面ミラー２ｂ、アウトプットカプラ９、及び、凹面ミラー１ａ〜１ｆは、第２実施形態と同様に配置されており、第２実施形態と同様に機能する。

本実施形態では、光路分岐機構５ｂに到達するレーザビームの光路が、回折格子５３ａ、５３ｂ及びプリズムミラー５２によって２つに分岐される。回折格子５３ａ、５３ｂ及びプリズムミラー５２によって分岐される２つのレーザビームのうちの一方である第１のレーザビーム１１ａは、第１の光路１２ａに導かれる。回折格子５３ａ、５３ｂ及びプリズムミラー５２によって分岐される２つのレーザビームのうちの他方は、回折格子５３ｃ、５３ｄによって更に２つに分岐される。即ち、プリズムミラー５２から回折格子５３ｃに到達するレーザビームは、回折格子５３ｃ、５３ｄによって、第２の光路１２ｂと第４の光路１２ｄとに更に分岐される。回折格子５３ｃ、５３ｄによって分岐される２つのレーザビームのうちの一方である第２のレーザビーム１１ｂは、第２の光路１２ｂに導かれる。回折格子５３ｃ、５３ｄによって分岐される２つのレーザビームのうちの他方である第３のレーザビーム１１ｃは、第４の光路１２ｄに導かれる。ミラー２ｂは、第２の光路１２ｂ及び第４の光路１２ｄの一端に位置している。

可飽和吸収体３は、第１のレーザビーム１１ａが伝搬する第１の光路１２ａ上に位置している一方、第２のレーザビーム１１ｂが伝搬する第２の光路１２ｂ上及び第３のレーザビーム１１ｃが伝搬する第４の光路１２ｄ上には位置していない。

第２のレーザビーム１１ｂが伝搬する第２の光路１２ｂ上及び第３のレーザビーム１１ｃが伝搬する第４の光路１２ｄ上には、波長可変機構４ａが配置されている。波長可変機構４ａとしては、例えば２つの開口部４１ａ、４１ｂを有する可動スリット４１が用いられている。中心波長がλ２の第２のレーザビーム１１ｂと中心波長がλ３の第３のレーザビーム１１ｃとが可動スリット４１により抽出される。回折格子５３ｃ、５３ｄによって分岐された２つのレーザビームのうちの一方、即ち、第２のレーザビーム１１ｂは、第２の光路１２ｂ上を伝搬する。

利得媒体６及びカーレンズ媒体７は、第１のレーザビーム１１ａ、第２のレーザビーム１１ｂ及び第３のレーザビーム１１ｃのいずれもが伝搬する第３の光路１２ｃ上に配置されている。

第１のレーザビーム１１ａ、第２のレーザビーム１１ｂ、及び、第３のレーザビーム１１ｃは、共振器１０内において共振し得る。平面ミラー２ｂ、アウトプットカプラ９、及び、凹面ミラー１ａ〜１ｆの位置は、共振器１０内におけるレーザビーム１１ａ、１１ｂ、１１ｃの光路長が互いに一致するように調整されている。

レーザビーム１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、共振器１０内において共振し、利得媒体６においてエネルギーを受け取り、発振する。第１のレーザビーム１１ａは、第１の光路１２ａに配置された可飽和吸収体３によってパルス状となる。第１のパルスレーザビーム１１ａのパルス幅は、例えば１ｎｓ以下となる。第１のパルスビーム１１ａは、第３の光路１２ｃ上に配置されたカーレンズ媒体７の屈折率を周期的に変調し、カーレンズ媒体７内を通過する第２のレーザビーム１１ｂ及び第３のレーザビーム１１ｃに周期的な損失をもたらす。このため、第２のレーザビーム１１ｂ及び第３のレーザビーム１１ｃは、モードロック過程によって、パルス状となる。第２のパルスレーザビーム１１ｂのパルス幅は、例えば１ｎｓ以下となる。また、第３のパルスレーザビーム１１ｃのパルス幅は、例えば１ｎｓ以下となる。パルス状のレーザビーム１１ａ、１１ｂ、１１ｃの一部は、アウトプットカプラ９を介して、モードロックレーザ装置の外部に出力される。

このように、レーザビームを３つに分岐するようにしてもよい。そして、上述したように、分岐された３つのレーザビームのうちの１つである第１のレーザビーム１１ａが伝搬する第１の光路１に可飽和吸収体３を配置すればよい。また、３つのレーザビーム１１ａ〜１１ｃの全てが伝搬する第３の光路１２ｃ上に、利得媒体６やカーレンズ媒体７等を配置すればよい。本実施形態によれば、中心波長が互いに異なる３種類のパルスレーザビーム１１ａ〜１１ｃを射出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。

［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。

本実施形態によるモードロックレーザ装置は、利得媒体６が、カーレンズ媒体を兼ねるものである。利得媒体６として用いられているチタンサファイア結晶は、サファイア結晶にチタンをドープしたものであるため、サファイア基板と同様にカーレンズ効果を奏する。このため、チタンサファイア結晶より成る利得媒体６は、利得媒体として機能するとともに、カーレンズ媒体としても機能し得る。利得媒体６は、凹面レンズ１ａと凹面レンズ１ｄとにより構成される内部共振器６２内に配置されている。

また、本実施形態によるモードロックレーザ装置は、ミラーと可飽和吸収体とが一体化されているものである。本実施形態では、第１の光路１２ａの一端に、可飽和吸収体としての機能とミラーとしての機能とを兼ね備える光学素子３ａが配されている。かかる光学素子３ａとしては、例えば半導体可飽和吸収体ミラー３６が用いられている。半導体可飽和吸収ミラー３６は、例えば７２５〜７７５ｎｍの波長域において、ＣＷに対して反射率が約９４％となり、パルスレーザビームに対して反射率が約９９％となる可飽和吸収体として機能するとともに、ミラーとしても機能する。このように、本実施形態では、ミラーと一体化された可飽和吸収体３６が第１の光路１２ａの一端に配されている。

このように、利得媒体６がカーレンズ媒体を兼ねていてもよい。また、レンズと可飽和吸収体とが一体化された光学素子３ａを用いてもよい。本実施形態によれば、光学素子の数を低減し得るため、小型化や低コスト化等に寄与することができる。

［第６実施形態］
本発明の第６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。

本実施形態による計測装置（測定装置）は、第１乃至第５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５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。

光源部１５０からは、ポンプ光（励起光）Ｐとストークス光Ｓとが射出されるようになっている。ポンプ光Ｐの中心波長はλ_ｐ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λ_ｐと異なるλ_ｓである。ポンプ光Ｐは、例えば、第１乃至第５実施形態において上述した第１のレーザビーム１１ａに対応している。ストークス光Ｓは、例えば、第１乃至第５実施形態において上述した第２のレーザビーム１１ｂ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。このように、ポンプ光Ｐである第１のレーザビーム１１ａとストークス光Ｓである第２のレーザビーム１１ｂとを含む出力光が、光源部１５０から出力されるようになっている。

光源部１５０から射出されたポンプ光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の強度及びストローク光Ｓの強度がそれぞれ変化する。

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。

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。

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。

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。

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。

このように、本実施形態では、第１乃至第５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１５０として用いられている。第１乃至第５実施形態によるモードロックレーザ装置では、上述したように、光源部１５０から出力されるレーザビームを広い波長域において可変し得る。このため、本実施形態では、ポンプ光Ｐの中心波長λｐとストークス光Ｓの中心波長λｓとの差を、十分に大きくすることができる。誘導ラマン散乱顕微鏡では、レーザビームの波長λｐ、λｓの逆数の差（１／λｐ−１／λｓ）に応じて、さまざまな分子運動の情報を取得することができる。本実施形態によれば、レーザビームの波長λｐ、λｓの逆数の差（１／λｐ−１／λｓ）を大きく変化させて測定することが可能であるため、被検体についての豊富な情報を取得することができる。

［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。

例えば、上記実施形態では、利得媒体６としてチタンサファイア結晶を用いる場合を例に説明したが、利得媒体６はチタンサファイア結晶に限定されるものではない。例えば、利得媒体６として、アレキサンドライト結晶（Ｃｒ^３＋：ＢｅＡＬ_２Ｏ_４）、Ｃｒ^４＋：Ｍｇ_２ＳｉＯ_４、Ｔｍ^３＋：ＹＡＧ、又は、Ｃｒ：ＬｉＳｒＡｌＦ_６等を用いるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、第１のレーザビーム１１ａの中心波長λ１を７５０ｎｍ程度とする場合を例に説明したが、第１のレーザビーム１１ａの中心波長λ１は７５０ｎｍに限定されるものではなく、適宜設定し得る。

また、上記実施形態では、第２のレーザビーム１１ｂの中心波長λ２の可変範囲が８２５ｎｍ〜９７５ｎｍである場合を例に説明したが、第２のレーザビーム１１ｂの中心波長λ２の可変範囲はこれに限定されるものではなく、適宜設定し得る。

また、上記実施形態では、波長が互いに異なる２種類又は３種類のレーザビームを出力するモードロックレーザ装置を例に説明したが、出力されるレーザビームの波長の種類は２種類又は３種類に限定されるものではなく、４種類以上であってもよい。

１ａ〜１ｆ、８１ａ〜８１ｄ…凹面ミラー
２ａ、２ｂ、８２…平面ミラー
３、３ａ、８３…可飽和吸収体
４…波長可変機構
５、５ａ、５ｂ…光路分岐機構
６、８６…利得媒体
７…カーレンズ媒体
８、８８…励起光源
９、８９…アウトプットカプラ
９８ａ、９８ｂ、５１ａ、５１ｂ…プリズム
５２…プリズムミラー
９９…スリット
４１…可動スリット
５３ａ、５３ｂ…回折格子
６２…内部共振器
３６…半導体可飽和吸収ミラー

Claims (8)

1. 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上に配された、又は、前記第１のミラーと一体化された可飽和吸収体と、
   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上に配され、前記第２のレーザビームの波長を可変にする波長可変機構と
   を有することを特徴とするモードロックレーザ装置。
2. 前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームの光路上に位置するカーレンズ媒体を更に有す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。
3. 前記アウトプットカプラを介して出力される前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームのパルス幅は、１ｎｓ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載のモードロックレーザ装置。
4. 前記利得媒体は、チタンサファイア結晶、アレキサンドライト結晶、Ｃｒ^４＋：Ｍｇ_２ＳｉＯ_４、Ｔｍ^３＋：ＹＡＧ、又は、Ｃｒ：ＬｉＳｒＡｌＦ_６を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のモードロックレーザ装置。
5. 前記光路分岐機構は、プリズムとプリズムミラーとを含む、又は、回折格子とプリズムミラーとを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のモードロックレーザ装置。
6. 前記波長可変機構は、可動スリットを含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のモードロックレーザ装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載のモードロックレーザ装置を含み、前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームとを含む出力光を射出する光源部と、
   前記出力光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。
8. 前記計測装置は、前記被検体で生じる誘導ラマン散乱を前記検出部により検出する誘導ラマン散乱顕微鏡であることを特徴とする請求項７記載の計測装置。

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