JP2660227B2 - モードロックされたレーザ - Google Patents
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- H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
- H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
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- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/06—Construction or shape of active medium
- H01S3/07—Construction or shape of active medium consisting of a plurality of parts, e.g. segments
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- H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
- H01S3/081—Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors
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- H01S3/106—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity
- H01S3/108—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using non-linear optical devices, e.g. exhibiting Brillouin or Raman scattering
- H01S3/109—Frequency multiplication, e.g. harmonic generation
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Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 この発明はレーザに、特に、モードロックされたレー
ザに関するものである。
ザに関するものである。
受動的（Passive）モードロッキングは、レーザを用
いて超短パルス（即ち、100p秒半値全幅（FWHM）以下の
パルス）を作るための公知の方法である。（例えば、N.
R.ベラシェンコフ（Belashenkov）氏他による「YAG:Nd3
−Laser for Study of Highspeed Process」、Instr.＆
Exp.Tech.No.1、1987年204〜205頁参照。）受動的モー
ドロッキングを行うために、レーザの共振器中の共振ミ
ラーの直前に、レーザ波長を吸収する色素溶液を入れた
薄いキュベットを配置することが知られている。適切に
選択した色素を用いると、色素溶液の透過度は入射光の
強度によって決まる。なぜなら、顕著な変動（光子ノイ
ズ）がまだ存在しているレーザの振動の開始時に、光強
度が強い時はより多くの色素分子が、レーザ光を吸収で
きないかあるいは非常に僅かにしか吸収できない（即
ち、退色（ausbleichen）する）励起状態にされるため
に、最も顕著なノイズピークのみが比較的少量の減衰を
受けるだけで色素溶液を通過することができ、一方、よ
り弱いノイズピークは大きく抑圧されるためである。共
振器においては、前後に移動し次第に急峻かつ短くなる
パルスが形成され、そのパルスが出力ミラー（Auskoppe
lspiegel）に当る毎に、パルスのある程度の分が外部に
結合される。このようにして、レーザの出力には超短パ
ルス列が現われる。
いて超短パルス（即ち、100p秒半値全幅（FWHM）以下の
パルス）を作るための公知の方法である。（例えば、N.
R.ベラシェンコフ（Belashenkov）氏他による「YAG:Nd3
−Laser for Study of Highspeed Process」、Instr.＆
Exp.Tech.No.1、1987年204〜205頁参照。）受動的モー
ドロッキングを行うために、レーザの共振器中の共振ミ
ラーの直前に、レーザ波長を吸収する色素溶液を入れた
薄いキュベットを配置することが知られている。適切に
選択した色素を用いると、色素溶液の透過度は入射光の
強度によって決まる。なぜなら、顕著な変動（光子ノイ
ズ）がまだ存在しているレーザの振動の開始時に、光強
度が強い時はより多くの色素分子が、レーザ光を吸収で
きないかあるいは非常に僅かにしか吸収できない（即
ち、退色（ausbleichen）する）励起状態にされるため
に、最も顕著なノイズピークのみが比較的少量の減衰を
受けるだけで色素溶液を通過することができ、一方、よ
り弱いノイズピークは大きく抑圧されるためである。共
振器においては、前後に移動し次第に急峻かつ短くなる
パルスが形成され、そのパルスが出力ミラー（Auskoppe
lspiegel）に当る毎に、パルスのある程度の分が外部に
結合される。このようにして、レーザの出力には超短パ
ルス列が現われる。
この方法の欠点は、特に、色素溶液の光化学的安定性
が低いこと、色素濃度及び色素キュベットの位置と厚さ
の設定が微妙であるという点にある。この場合、しばし
ば要求される半波長の発光は、周波数を、総じて特に有
効な共振器内ではなく、周波数を２倍にする結晶によっ
て外部で２倍にすることによってしか達成できない。な
ぜなら、レーザ波長の２分の１では、色素溶液はしばし
ば、損失を高くする顕著な吸収性を呈するためである。
（例えば、フォーク（Falk）氏他による「Pulse Width
of the Mode−Locked Intervally Frequency−Doubled
Laser」、IEEE Journal of Quantum Electronics、Vol.
QE−11、No.7、1975年７月・365〜367頁、ウメガキ（S.
Umegaki）氏による「An Efficient Method of Second H
armonic Generation Interval to Laser Gavity」JAPA
N.J.Appl.Phys.Vol.15（1976）No.8、1595〜1596頁参
照。） さらに、多くの場合、正確に時間同期した、超短レー
ザ放出パルスの列を提供する２つの異なるタイプのレー
ザが要求されることがある。これまでは、この要求は相
当な費用をかけてしか達成することができなかった。２
つのレーザを同期させるための１つの公知の方法では、
モードロックされたマスタ発振器を用いて、他のレーザ
（通常は色素レーザ）を直接または第２高調波で同期的
にポンピングする。これに伴う欠点は、マスタ発振器自
体がモードロックされねばならず、また、この方法によ
って同期させることのできる異るレーザの組合わせの数
に限界があるということである。
が低いこと、色素濃度及び色素キュベットの位置と厚さ
の設定が微妙であるという点にある。この場合、しばし
ば要求される半波長の発光は、周波数を、総じて特に有
効な共振器内ではなく、周波数を２倍にする結晶によっ
て外部で２倍にすることによってしか達成できない。な
ぜなら、レーザ波長の２分の１では、色素溶液はしばし
ば、損失を高くする顕著な吸収性を呈するためである。
（例えば、フォーク（Falk）氏他による「Pulse Width
of the Mode−Locked Intervally Frequency−Doubled
Laser」、IEEE Journal of Quantum Electronics、Vol.
QE−11、No.7、1975年７月・365〜367頁、ウメガキ（S.
Umegaki）氏による「An Efficient Method of Second H
armonic Generation Interval to Laser Gavity」JAPA
N.J.Appl.Phys.Vol.15（1976）No.8、1595〜1596頁参
照。） さらに、多くの場合、正確に時間同期した、超短レー
ザ放出パルスの列を提供する２つの異なるタイプのレー
ザが要求されることがある。これまでは、この要求は相
当な費用をかけてしか達成することができなかった。２
つのレーザを同期させるための１つの公知の方法では、
モードロックされたマスタ発振器を用いて、他のレーザ
（通常は色素レーザ）を直接または第２高調波で同期的
にポンピングする。これに伴う欠点は、マスタ発振器自
体がモードロックされねばならず、また、この方法によ
って同期させることのできる異るレーザの組合わせの数
に限界があるということである。
別の公知の同期方法では、色素レーザ中に、レーザ発
振可能な吸収材料色素を用いて、これら２つのレーザ媒
体のモードロッキングが生じるようにする。（Z.A.ヤサ
（Yasa）氏他、Appl.Phys.Lett.30、No.1、1977、24〜2
5頁、W.ディーテル（Dietel）氏他、「OPTICS COMMUNIC
ATIONS」35、No.3、1980年12月、445〜446頁参照。）こ
の方法の欠点は、ポンピングレーザ波長がレーザ色素に
よる吸収に適合するようにされねばならず、従って、こ
れも可能なレーザの組合せの数に限界があるということ
である。さらに、異なる波長の超短パルス、例えば、２
つのモードロックされたレーザの放射の和周波数あるい
は差周波数を持った超短パルスを作りたい場合がしばし
ばある。これまでは、この目的のためには、別の非直線
性の媒体が使用されていた。
振可能な吸収材料色素を用いて、これら２つのレーザ媒
体のモードロッキングが生じるようにする。（Z.A.ヤサ
（Yasa）氏他、Appl.Phys.Lett.30、No.1、1977、24〜2
5頁、W.ディーテル（Dietel）氏他、「OPTICS COMMUNIC
ATIONS」35、No.3、1980年12月、445〜446頁参照。）こ
の方法の欠点は、ポンピングレーザ波長がレーザ色素に
よる吸収に適合するようにされねばならず、従って、こ
れも可能なレーザの組合せの数に限界があるということ
である。さらに、異なる波長の超短パルス、例えば、２
つのモードロックされたレーザの放射の和周波数あるい
は差周波数を持った超短パルスを作りたい場合がしばし
ばある。これまでは、この目的のためには、別の非直線
性の媒体が使用されていた。
（発明の概要） 活性媒体と、第１と第２のミラーによって画定され、
活性媒体が配置される光共振器と、活性媒体と第２のミ
ラーの間に配置された受動的モードロッキング用非線形
光学手段とを有するモードロックされたレーザから出発
して、この発明は、良好な安定性を持ち、簡単に使用す
ることが可能であり、応答時間が短く、共振器内で周波
数増倍、あるいは、より一般化して言えば、周波数変換
を可能とする受動的モードロッキング用の改良された手
段を有するモードロックされたレーザを提供するという
問題を解決する。
活性媒体が配置される光共振器と、活性媒体と第２のミ
ラーの間に配置された受動的モードロッキング用非線形
光学手段とを有するモードロックされたレーザから出発
して、この発明は、良好な安定性を持ち、簡単に使用す
ることが可能であり、応答時間が短く、共振器内で周波
数増倍、あるいは、より一般化して言えば、周波数変換
を可能とする受動的モードロッキング用の改良された手
段を有するモードロックされたレーザを提供するという
問題を解決する。
この発明によれば、第２のミラーと組合わせた非線形
の光学手段が、強度の低い放射に比して高強度の放射が
優先的に反射されるようにし、レーザの基本周波数の放
射を第１と第２の周波数に可逆的に変換するが、この場
合、強度の増大に伴って、第２の周波数の放射の部分が
増加し、かつ、第２のミラーが第１の周波数よりも第２
の周波数で大きく反射するように変換が行われる。非線
形光学手段は、例えば、周波数を２倍にする光学素子あ
るいはパラメトリック光学素子を含めることができる。
前者の場合は、第１の周波数はレーザの基本周波数foで
あり、第２の周波数は2foである。後者の場合は、foよ
りも低い２つの周波数f1とf2が生成される。
の光学手段が、強度の低い放射に比して高強度の放射が
優先的に反射されるようにし、レーザの基本周波数の放
射を第１と第２の周波数に可逆的に変換するが、この場
合、強度の増大に伴って、第２の周波数の放射の部分が
増加し、かつ、第２のミラーが第１の周波数よりも第２
の周波数で大きく反射するように変換が行われる。非線
形光学手段は、例えば、周波数を２倍にする光学素子あ
るいはパラメトリック光学素子を含めることができる。
前者の場合は、第１の周波数はレーザの基本周波数foで
あり、第２の周波数は2foである。後者の場合は、foよ
りも低い２つの周波数f1とf2が生成される。
この発明によれば、モードロックされるレーザの形式
に関し、大幅な制限を受けることなしに、簡単な方法で
２つのレーザをモードロックすることができる。あるい
くつかの特定の実施例においては、２つのレーザのレー
ザ周波数の和または差の周波数を利用することができ
る。
に関し、大幅な制限を受けることなしに、簡単な方法で
２つのレーザをモードロックすることができる。あるい
くつかの特定の実施例においては、２つのレーザのレー
ザ周波数の和または差の周波数を利用することができ
る。
この発明による装置を用いると、レーザの受動的モー
ドロッキングにより、超短パルスの発生を従来に比して
大幅に安定したものとすることができる。公知の非線形
光学結晶は、一般に、色素溶液を有するキュベットに比
して非常に高い破壊閾値を持っており、その性質は色素
溶液に比して時間的に一定している。さらに、この発明
の装置は組立てと調整が簡単で、他の補助的手段、例え
ば、色素溶液を入れたキュベットを用いる時、溶液中に
縞模様が発生しないようにし、かつ、いくらか長期の吸
収安定性を得るために必要とされるような循環ポンプな
どを必要としない。さらに、従来法によれば、溶液中の
色素の緩和時間が有限であるのに対し、この出願の方法
では、純粋に電子的な操作で、測定できないほど短い応
答時間が得られ、従って、従来の方法と対照的に、達成
できるパルスの短さは活性媒体のみに依存することにな
る。
ドロッキングにより、超短パルスの発生を従来に比して
大幅に安定したものとすることができる。公知の非線形
光学結晶は、一般に、色素溶液を有するキュベットに比
して非常に高い破壊閾値を持っており、その性質は色素
溶液に比して時間的に一定している。さらに、この発明
の装置は組立てと調整が簡単で、他の補助的手段、例え
ば、色素溶液を入れたキュベットを用いる時、溶液中に
縞模様が発生しないようにし、かつ、いくらか長期の吸
収安定性を得るために必要とされるような循環ポンプな
どを必要としない。さらに、従来法によれば、溶液中の
色素の緩和時間が有限であるのに対し、この出願の方法
では、純粋に電子的な操作で、測定できないほど短い応
答時間が得られ、従って、従来の方法と対照的に、達成
できるパルスの短さは活性媒体のみに依存することにな
る。
この発明を少し改変するだけで、２つのレーザのモー
ドロッキングと同期化とを簡単な方法で行うことができ
る。この特徴は広く応用可能であり、同期化するレーザ
の波長領域については実用上何の制限も受けない。
ドロッキングと同期化とを簡単な方法で行うことができ
る。この特徴は広く応用可能であり、同期化するレーザ
の波長領域については実用上何の制限も受けない。
（実施例の説明） 第１図のレーザは、第１の共振器ミラー７と第２の共
振器ミラー５とを有するレーザ共振器と、活性媒体６
と、例えば、反射防止被膜を有する入口及び出口面２、
３を有する周波数２逓倍結晶１のような周波数２逓倍素
子、回転可能に設けられた面平行ガラス板４、及び、レ
ーザ媒体６によって放出される放射の基本波長に対して
比較的高い透過性を有し、周波数が２倍にされた放射の
波長に対しては最大の反射性を呈するダイクロイックミ
ラー８とを含んでいる。共振器ミラー７は基本波長で最
大の反射性を示し、一方、共振器ミラー５は周波数が２
倍の放射に対して最大の反射性を有すると共に、基本波
長に対しては、２倍の周波数の放射に対する反射よりも
低い反射性を呈する。例えば、Ｒは、0.05〜0.3及びそ
れ以上である。
振器ミラー５とを有するレーザ共振器と、活性媒体６
と、例えば、反射防止被膜を有する入口及び出口面２、
３を有する周波数２逓倍結晶１のような周波数２逓倍素
子、回転可能に設けられた面平行ガラス板４、及び、レ
ーザ媒体６によって放出される放射の基本波長に対して
比較的高い透過性を有し、周波数が２倍にされた放射の
波長に対しては最大の反射性を呈するダイクロイックミ
ラー８とを含んでいる。共振器ミラー７は基本波長で最
大の反射性を示し、一方、共振器ミラー５は周波数が２
倍の放射に対して最大の反射性を有すると共に、基本波
長に対しては、２倍の周波数の放射に対する反射よりも
低い反射性を呈する。例えば、Ｒは、0.05〜0.3及びそ
れ以上である。
活性媒体６がレーザ発振の閾値を越えてポンピングさ
れると、周波数２逓倍結晶１では、基本周波数のレーザ
放射の一部が２倍の周波数の放射に変換される。変換の
程度ηは、当然ながら、レーザ放射の強度に比例して大
きくなる。ミラー５によって反射された２倍の周波数の
放射が周波数２逓倍結晶に再入射する時に正しい位相位
置を持っている場合には、そのほとんどが再び基本周波
数に変換される。２つの波長に対する空気中及びガラス
中での分散度が異るので、上記の再変換は、例えば、ガ
ラス板４を小さな角度だけ回転させて、これらの条件が
満足されるいくらか異った光路長を形成することによ
り、あるいは、ミラー５を光軸に沿って動かすことによ
り、あるいは、共振器中の空気圧を適当に変えることに
よって、行われる。こうして得られる効果は、ミラー５
と基本周波数に対する周波数２逓倍結晶との組合わせに
よって、周波数２逓倍を行わない場合、あるいは、基本
周波数と高調波との間の位相整合が正確に行われていな
い場合にくらべて、実効的により高い反射率が得られ
る。
れると、周波数２逓倍結晶１では、基本周波数のレーザ
放射の一部が２倍の周波数の放射に変換される。変換の
程度ηは、当然ながら、レーザ放射の強度に比例して大
きくなる。ミラー５によって反射された２倍の周波数の
放射が周波数２逓倍結晶に再入射する時に正しい位相位
置を持っている場合には、そのほとんどが再び基本周波
数に変換される。２つの波長に対する空気中及びガラス
中での分散度が異るので、上記の再変換は、例えば、ガ
ラス板４を小さな角度だけ回転させて、これらの条件が
満足されるいくらか異った光路長を形成することによ
り、あるいは、ミラー５を光軸に沿って動かすことによ
り、あるいは、共振器中の空気圧を適当に変えることに
よって、行われる。こうして得られる効果は、ミラー５
と基本周波数に対する周波数２逓倍結晶との組合わせに
よって、周波数２逓倍を行わない場合、あるいは、基本
周波数と高調波との間の位相整合が正確に行われていな
い場合にくらべて、実効的により高い反射率が得られ
る。
もっと正確な理論的考察を行うと、周波数２逓倍結晶
のこの非線形のふるまいによって生じる実効的反射率R
n1は次のように表わせることがわかる。
のこの非線形のふるまいによって生じる実効的反射率R
n1は次のように表わせることがわかる。
ここで、R1は基本波長に対するミラー５の（線形）反
射係数、R2は周波数が２倍にされた放射に対するミラー
５の（線形）反射係数である。η＝0.5、即ち、基本周
波数の高調波への変換の効率が50％の場合について、周
波数２逓倍結晶１、ガラス板４及びミラー５の組合わせ
による、R1をパラメータとした、正規化された入力強度
の関数としての、反射放射の強度を表わす曲線を示す。
ここで、各ケースにおいて、実線は非線形の反射Rn1を
表わし、点線は周波数２逓倍結晶を用いない場合の線形
反射R1を示す。次に、より正確な理論的説明を示す。
射係数、R2は周波数が２倍にされた放射に対するミラー
５の（線形）反射係数である。η＝0.5、即ち、基本周
波数の高調波への変換の効率が50％の場合について、周
波数２逓倍結晶１、ガラス板４及びミラー５の組合わせ
による、R1をパラメータとした、正規化された入力強度
の関数としての、反射放射の強度を表わす曲線を示す。
ここで、各ケースにおいて、実線は非線形の反射Rn1を
表わし、点線は周波数２逓倍結晶を用いない場合の線形
反射R1を示す。次に、より正確な理論的説明を示す。
この発明によるレーザ構成を用いると、大きな強度の
ノイズピークは、公知の受動的モードロッキング用装置
を用いた場合と同様に、反射率が高くなり、従って、全
体的増幅度が大きくなるので、単一の超短パルスが形成
され、このパルスは共振器中を循環する。その結果、基
本波長だけでなく、高調波においても超短パルスが形成
されるが、このパルスは、ほとんどが、上述したように
して、周波数２逓倍結晶によって基本波長に再変換され
る。しかし、再変換されなかった２倍の周波数の光の残
りの部分はダイクロイックミラー８によって、基本波の
波長の２分の１の短いパルスとして出力される。
ノイズピークは、公知の受動的モードロッキング用装置
を用いた場合と同様に、反射率が高くなり、従って、全
体的増幅度が大きくなるので、単一の超短パルスが形成
され、このパルスは共振器中を循環する。その結果、基
本波長だけでなく、高調波においても超短パルスが形成
されるが、このパルスは、ほとんどが、上述したように
して、周波数２逓倍結晶によって基本波長に再変換され
る。しかし、再変換されなかった２倍の周波数の光の残
りの部分はダイクロイックミラー８によって、基本波の
波長の２分の１の短いパルスとして出力される。
第３図は第１図に示す構成によって生成されるレーザ
パルス列の時間的プロフィールを示すオシログラムであ
る。このオシログラムは、350p秒の立上り時間をもつホ
トダイオードとオシログラフの組合わせを用いてとった
ものなので、実際のパルス幅は明瞭ではない。しかし、
非線形光学的方法を用いた場合にはこの幅は100p秒より
短いことがわかっている。達成可能な半値全幅の下限は
非線形光学媒体６のみによって決まり、非線形光学結
晶、ガラス板及びミラーからなる構成によっては決定さ
れない。なぜなら、非線形光学結晶の応答時間は純粋に
電子工学的手段によって制御され、従って、実用上測定
し得ないほど短いからである。
パルス列の時間的プロフィールを示すオシログラムであ
る。このオシログラムは、350p秒の立上り時間をもつホ
トダイオードとオシログラフの組合わせを用いてとった
ものなので、実際のパルス幅は明瞭ではない。しかし、
非線形光学的方法を用いた場合にはこの幅は100p秒より
短いことがわかっている。達成可能な半値全幅の下限は
非線形光学媒体６のみによって決まり、非線形光学結
晶、ガラス板及びミラーからなる構成によっては決定さ
れない。なぜなら、非線形光学結晶の応答時間は純粋に
電子工学的手段によって制御され、従って、実用上測定
し得ないほど短いからである。
第１図の実施例は周波数２逓倍結晶を用いた特に簡単
なケースであるが、この発明では、原理的に、周波数２
逓倍結晶の代りに、基本周波数を１以上の他の波長に可
逆的に変換する他の非線形光学手段を用いることができ
る。従って、非線形光学手段として、共同して公知のや
り方で周波数を３倍にすることのできる２個の結晶を有
する構成や、あるいは、基本周波数を、加えると再び基
本周波数と等しくなる。基本周波数より低い２つの周波
数に分割するパラメトリック光学結晶を用いることもで
きる。周波数を２倍にする結晶を用いた前述の例から種
々の変形を引出すことは、この技術分野の知識を有する
者には容易なので、詳細な説明は行わない。同時に、必
要とあれば容易に実施し得るような別の変形も可能であ
る。例えば、ダイクロイックミラー８を省略し、非線形
媒体６によって伝送された周波数を２倍にされた放射の
外部への結合をミラー７によって行うようにすることも
できる。この場合、ミラー７は周波数が２倍にされた放
射に対して最大の透過率を呈することが好ましい。しか
し、この変形は、周波数を２倍にされた波に対して、活
性媒体６がいかなる感知し得る程の吸収性をも持たない
時にのみ、例えば、Nd−YAGを用いたような場合にのみ
有効である。また、既に述べたが、位相整合に用いるガ
ラス板４は単に回動させることによって位相整合を得ら
れる特に便利な手段の代表例であるが、空気の分散作用
を非線形光学結晶１とミラー５の間（この間の距離は正
確に設定しなければならない）で利用する場合には省略
できる。これも既に述べたが、ミラーの位置を変える代
りに、空気圧を変化させることもできる。これは特に、
装置全体を、例えば、ほこりから保護するために圧力容
器中に収容する場合には有効な方法である。
なケースであるが、この発明では、原理的に、周波数２
逓倍結晶の代りに、基本周波数を１以上の他の波長に可
逆的に変換する他の非線形光学手段を用いることができ
る。従って、非線形光学手段として、共同して公知のや
り方で周波数を３倍にすることのできる２個の結晶を有
する構成や、あるいは、基本周波数を、加えると再び基
本周波数と等しくなる。基本周波数より低い２つの周波
数に分割するパラメトリック光学結晶を用いることもで
きる。周波数を２倍にする結晶を用いた前述の例から種
々の変形を引出すことは、この技術分野の知識を有する
者には容易なので、詳細な説明は行わない。同時に、必
要とあれば容易に実施し得るような別の変形も可能であ
る。例えば、ダイクロイックミラー８を省略し、非線形
媒体６によって伝送された周波数を２倍にされた放射の
外部への結合をミラー７によって行うようにすることも
できる。この場合、ミラー７は周波数が２倍にされた放
射に対して最大の透過率を呈することが好ましい。しか
し、この変形は、周波数を２倍にされた波に対して、活
性媒体６がいかなる感知し得る程の吸収性をも持たない
時にのみ、例えば、Nd−YAGを用いたような場合にのみ
有効である。また、既に述べたが、位相整合に用いるガ
ラス板４は単に回動させることによって位相整合を得ら
れる特に便利な手段の代表例であるが、空気の分散作用
を非線形光学結晶１とミラー５の間（この間の距離は正
確に設定しなければならない）で利用する場合には省略
できる。これも既に述べたが、ミラーの位置を変える代
りに、空気圧を変化させることもできる。これは特に、
装置全体を、例えば、ほこりから保護するために圧力容
器中に収容する場合には有効な方法である。
この発明の別の態様では、同時に、Ｑの切換えを、公
知の方法、例えば、ポッケルスセルを用いて共振器中で
行う。また、公知の受動的モードロッキングの方法と全
く同様に、この発明の方法は、例えば、音響光学モード
カプラを用いて、能動的モードロッキング法と共に用い
ることができる。知られているように、このようにする
と、特に高い振幅安定性が得られる。
知の方法、例えば、ポッケルスセルを用いて共振器中で
行う。また、公知の受動的モードロッキングの方法と全
く同様に、この発明の方法は、例えば、音響光学モード
カプラを用いて、能動的モードロッキング法と共に用い
ることができる。知られているように、このようにする
と、特に高い振幅安定性が得られる。
非線形光学手段に適する材料は、KDP（リン酸二水素
カリウム）、KTP（KTiOPO4−リン酸チタニルカリウ
ム）、KDDP（重水素化リン酸二水素カリウム）、ニオブ
酸リチウム等の結晶である。
カリウム）、KTP（KTiOPO4−リン酸チタニルカリウ
ム）、KDDP（重水素化リン酸二水素カリウム）、ニオブ
酸リチウム等の結晶である。
この発明の推奨実施例では、共振器の長さは約1mであ
り、これはそれほど臨界的なものではない。さらに、活
性レーザ媒体はNd−YAGであり、非線形光学手段はKTPの
周波数２逓倍結晶である。Nd−YAG放射の基本波長1060n
mにおける一方の共振器ミラー５の反射率は約30％であ
り、周波数を２倍にされたNd−YAG放射（即ち、波長530
nm）に対する反射率はほぼ100％である。
り、これはそれほど臨界的なものではない。さらに、活
性レーザ媒体はNd−YAGであり、非線形光学手段はKTPの
周波数２逓倍結晶である。Nd−YAG放射の基本波長1060n
mにおける一方の共振器ミラー５の反射率は約30％であ
り、周波数を２倍にされたNd−YAG放射（即ち、波長530
nm）に対する反射率はほぼ100％である。
第４図に示すレーザ装置は、第１のミラー12と第２の
ミラー14によって画定される第１の光共振キャビティ、
即ち、レーザ共振器10と、第３のミラー18と第２のミラ
ー14とによって画定される第２のレーザ共振器16とを含
む。第１の共振器10には、第１の活性レーザ媒体20が、
また、第２の共振器には第２の活性レーザ媒体22が設け
られている。この装置には、さらに、ビーム合成手段2
4、例えば、偏光器（ポラライザ）構成あるいはダイク
ロイックミラー、を含み、このビーム合成手段24を通っ
てミラー12と14の間のビーム通路が直進する。このビー
ム合成手段24はミラー14と18との間では、ビーム通路90
゜曲げている。手段24と第２の共通のミラー14との間の
ビーム通路の共通部分には、非線形光学媒体26、位相設
定用として可回転的に取付けられた面平行ガラス板28、
及び、選択的に反射する出力ミラー30が配置されてい
る。
ミラー14によって画定される第１の光共振キャビティ、
即ち、レーザ共振器10と、第３のミラー18と第２のミラ
ー14とによって画定される第２のレーザ共振器16とを含
む。第１の共振器10には、第１の活性レーザ媒体20が、
また、第２の共振器には第２の活性レーザ媒体22が設け
られている。この装置には、さらに、ビーム合成手段2
4、例えば、偏光器（ポラライザ）構成あるいはダイク
ロイックミラー、を含み、このビーム合成手段24を通っ
てミラー12と14の間のビーム通路が直進する。このビー
ム合成手段24はミラー14と18との間では、ビーム通路90
゜曲げている。手段24と第２の共通のミラー14との間の
ビーム通路の共通部分には、非線形光学媒体26、位相設
定用として可回転的に取付けられた面平行ガラス板28、
及び、選択的に反射する出力ミラー30が配置されてい
る。
非線形媒体26は周波数混合結晶、例えば、KDP、KTP、
KDDP、ニオブ酸リチウム等の結晶とすることができ、従
って、例えば、２つの活性レーザ媒体20と22によって生
成される基本周波数の和の周波数を生成する。しかし、
この代りに、パラメトリック媒体を用いてもよく、その
場合は、前述したような差の周波数が供給される。
KDDP、ニオブ酸リチウム等の結晶とすることができ、従
って、例えば、２つの活性レーザ媒体20と22によって生
成される基本周波数の和の周波数を生成する。しかし、
この代りに、パラメトリック媒体を用いてもよく、その
場合は、前述したような差の周波数が供給される。
共通の第２のミラー14は、和または差の周波数をでき
るだけ完全に反射するが、２つの活性レーザ媒体20と22
の基本周波数の反射は少いトリクロイック（trichroisc
hen）ミラーである。第４図の装置の動作モードは後で
詳細に説明する。
るだけ完全に反射するが、２つの活性レーザ媒体20と22
の基本周波数の反射は少いトリクロイック（trichroisc
hen）ミラーである。第４図の装置の動作モードは後で
詳細に説明する。
第５図に示す装置も第１のミラー12と第２のミラー14
とで画定される第１のレーザ共振器10を有し、このミラ
ー12と14の間には、順に、活性レーザ媒体20、ビーム合
成手段24、出力ミラー30、非線形光学媒体26及び位相設
定用の可回転的に取付けられた面平行板28が設けられて
いる。第５図の装置の第４図の装置との相違は、第２の
レーザ共振器が第１のレーザ共振器とは別で、それ自身
が全体として46で示したレーザに属する２つのミラー42
と44を備えている点である。レーザ46は超短レーザ放射
パルスの列48を発生し、このパルス列はビーム合成手段
24によって第１のレーザ共振器10のビーム通路中へ反射
される。
とで画定される第１のレーザ共振器10を有し、このミラ
ー12と14の間には、順に、活性レーザ媒体20、ビーム合
成手段24、出力ミラー30、非線形光学媒体26及び位相設
定用の可回転的に取付けられた面平行板28が設けられて
いる。第５図の装置の第４図の装置との相違は、第２の
レーザ共振器が第１のレーザ共振器とは別で、それ自身
が全体として46で示したレーザに属する２つのミラー42
と44を備えている点である。レーザ46は超短レーザ放射
パルスの列48を発生し、このパルス列はビーム合成手段
24によって第１のレーザ共振器10のビーム通路中へ反射
される。
勿論、活性レーザ媒体20と22及びレーザ46のレーザ媒
体（図示せず）には、それぞれのポンピング手段（図示
せず）が設けられている。これらのポンピング手段の形
式は使用される特定のレーザ手段によって決まり、それ
ぞれのレーザ媒体中でレーザ発光に充分な分布の反転が
生じるようにする。２つのモードロックされたレーザの
共振器キャビティの光学的な長さは同じである。トリク
ロイックミラーによって反射される光発振波の正しい位
相関係は、第１図に示した装置におけると同様、非線形
媒体とトリクロイックミラーとの間の距離を変えること
により、あるいは、これらの間の空気圧を変えることに
よって、あるいは任意適当な方法によって設定すること
ができる。
体（図示せず）には、それぞれのポンピング手段（図示
せず）が設けられている。これらのポンピング手段の形
式は使用される特定のレーザ手段によって決まり、それ
ぞれのレーザ媒体中でレーザ発光に充分な分布の反転が
生じるようにする。２つのモードロックされたレーザの
共振器キャビティの光学的な長さは同じである。トリク
ロイックミラーによって反射される光発振波の正しい位
相関係は、第１図に示した装置におけると同様、非線形
媒体とトリクロイックミラーとの間の距離を変えること
により、あるいは、これらの間の空気圧を変えることに
よって、あるいは任意適当な方法によって設定すること
ができる。
次に、共通のレーザ共振器部分を有する第４図に示し
た２つのレーザのモードロッキングの原理及び第５図に
示した共振器10を含むレーザにレーザ46をモードロッキ
ングする原理を詳細に説明する。これら両方の装置にお
いて、ビーム合成手段24、非線形媒体26及びトリクロイ
ックミラー14は不可欠のものである。
た２つのレーザのモードロッキングの原理及び第５図に
示した共振器10を含むレーザにレーザ46をモードロッキ
ングする原理を詳細に説明する。これら両方の装置にお
いて、ビーム合成手段24、非線形媒体26及びトリクロイ
ックミラー14は不可欠のものである。
ある条件下では、手段24の側から非線形媒体26に入る
２つのレーザ放射の基本周波数W1とW2の光発振波に対す
る反射率は、その光発振の強度と共に増加する。その条
件とは、和または差周波数におけるトリクロイックミラ
ー14の反射率R3が100％に近づくこと、レーザ媒体20と2
2の基本周波数W1とW2におけるミラー14の反射率R1とR2
がR3よりも小さく、トリクロイックミラー14によって反
射される３つの光の発振波が正しい位相関係を持つこと
である。レーザの基本周波数W1とW2に対するミラー14の
反射率R1とR2（及び、第１図の場合は、ミラー18の反射
率R1とR2）の最適な値は実験的に決定することができ、
循環に対する増幅度（Verstrkung pro Umlauf）や飽
和強度などの装置のパラメータに左右される。R1とR2
は、例えば、R3が100％に近い時は、0.05％と95％の間
である。一般に、R3の値はR1とR2の値の一方よりも大で
なければならない。
２つのレーザ放射の基本周波数W1とW2の光発振波に対す
る反射率は、その光発振の強度と共に増加する。その条
件とは、和または差周波数におけるトリクロイックミラ
ー14の反射率R3が100％に近づくこと、レーザ媒体20と2
2の基本周波数W1とW2におけるミラー14の反射率R1とR2
がR3よりも小さく、トリクロイックミラー14によって反
射される３つの光の発振波が正しい位相関係を持つこと
である。レーザの基本周波数W1とW2に対するミラー14の
反射率R1とR2（及び、第１図の場合は、ミラー18の反射
率R1とR2）の最適な値は実験的に決定することができ、
循環に対する増幅度（Verstrkung pro Umlauf）や飽
和強度などの装置のパラメータに左右される。R1とR2
は、例えば、R3が100％に近い時は、0.05％と95％の間
である。一般に、R3の値はR1とR2の値の一方よりも大で
なければならない。
さらに詳しく考察すると、２つのレーザの基本周波数
W1とW2に対する非線形媒体26とトリクロイックミラー14
の組合せの非線形反射率R1NLとR2NLは、非線形媒体26に
よって和周波数W3＝W1＋W2が生成される場合は、次の式
によって与えられることがわかった。
W1とW2に対する非線形媒体26とトリクロイックミラー14
の組合せの非線形反射率R1NLとR2NLは、非線形媒体26に
よって和周波数W3＝W1＋W2が生成される場合は、次の式
によって与えられることがわかった。
R2NL＝β（Ｂ−Ａ＋R1NL） （３） ここで、β＝n1/n2は２つの入力基本波の正規化され
た光子数の比、ηは基本波W1の和周波数放射への光子変
換効率である。従って、 Ａ＝（１−η）R1＋R3 （４） Ｂ＝（1/β−η）R2＋R3 （５） となる。
た光子数の比、ηは基本波W1の和周波数放射への光子変
換効率である。従って、 Ａ＝（１−η）R1＋R3 （４） Ｂ＝（1/β−η）R2＋R3 （５） となる。
式２において、sn（ｕ、ｍ）とsn-1（ｕ、ｍ）はヤコ
ビの楕円関数とその逆数、また、R1とR2は２つのレーザ
媒体20と22の基本周波数におけるトリクロイックミラー
の反射率である。第６図と第７図に、非線形反射率R1NL
とR2NLのηに対する依存性が示されている。変換効率は
入力強度に比例するから、反射率は明らかに光の強度と
共に増加する。このような特性をもった非線形光学手段
をレーザ共振器キャビティの内部に配置すれば、知られ
ているように、パルス振幅の選択及びパルスの短縮が可
能となり、従って、初期の続計的な光変動から、最終的
には単一の超短光パルスが得られる。従って、非線形媒
体とトリクロイックミラーとの組合わせは、共振器の一
部を共有する２つのレーザの同期的モードロッキングを
行う非線形光学装置として見ることができる。
ビの楕円関数とその逆数、また、R1とR2は２つのレーザ
媒体20と22の基本周波数におけるトリクロイックミラー
の反射率である。第６図と第７図に、非線形反射率R1NL
とR2NLのηに対する依存性が示されている。変換効率は
入力強度に比例するから、反射率は明らかに光の強度と
共に増加する。このような特性をもった非線形光学手段
をレーザ共振器キャビティの内部に配置すれば、知られ
ているように、パルス振幅の選択及びパルスの短縮が可
能となり、従って、初期の続計的な光変動から、最終的
には単一の超短光パルスが得られる。従って、非線形媒
体とトリクロイックミラーとの組合わせは、共振器の一
部を共有する２つのレーザの同期的モードロッキングを
行う非線形光学装置として見ることができる。
第５図の場合のように、パルス列48が、ミラー12と14
で画定されたレーザ共振キャビティへ外部から結合され
る場合には、条件は同様である。結合されたパルス列
は、同期的モードロッキングが行われるように、活性媒
体20によって生成されたレーザ放射に対する反射率を変
調する。
で画定されたレーザ共振キャビティへ外部から結合され
る場合には、条件は同様である。結合されたパルス列
は、同期的モードロッキングが行われるように、活性媒
体20によって生成されたレーザ放射に対する反射率を変
調する。
以上説明した実施例には種々の改変を行うことができ
る。例えば、非線形媒体を非共線的和または差周波数の
生成に適するようにしてもよい。その場合、同じ長さで
なければならない２つのレーザ共振器の光軸、即ち、光
路は非線形媒体が配置される点で交差し、また、非線形
媒体から出た放射を再び非線形媒体へ反射する別のミラ
ーが設けられる。第１と第２のミラーの間のビーム通路
におかれたこのミラー及び／または第２のミラー14は和
または差周波数に対し高い反射率を有し、レーザ放射周
波数に対しては低い反射率を持っている。また、非線形
手段にはラマン活性媒体を設けることができる。その場
合は、レーザ周波数W1とW2は次の条件を満足しなければ
ならない。
る。例えば、非線形媒体を非共線的和または差周波数の
生成に適するようにしてもよい。その場合、同じ長さで
なければならない２つのレーザ共振器の光軸、即ち、光
路は非線形媒体が配置される点で交差し、また、非線形
媒体から出た放射を再び非線形媒体へ反射する別のミラ
ーが設けられる。第１と第２のミラーの間のビーム通路
におかれたこのミラー及び／または第２のミラー14は和
または差周波数に対し高い反射率を有し、レーザ放射周
波数に対しては低い反射率を持っている。また、非線形
手段にはラマン活性媒体を設けることができる。その場
合は、レーザ周波数W1とW2は次の条件を満足しなければ
ならない。
W1−W2＝ΩまたはW2−W1＝Ω （６） ここで、Ωは媒体のラマン周波数シフトである。
第１図は、この発明の推奨実施例によるモードロックさ
れたレーザの構成の概略図、 第２図は、この発明を説明するための入力強度と反射強
度の関係を示す図、 第３図は、第１図のレーザで発生されたレーザパルス列
の時間的変化を示す図、 第４図は、合成レーザ共振器構成をもった２つの同期的
にモードロックされたレーザの概略図、 第５図は、あるレーザを他のモードロックされたレーザ
のパルス列に同期的にモードロッキングするための構成
を示す図、 第６図と第７図は、第４図と第５図のレーザの動作モー
ドを説明するための光子変換効率と反射率との関係を示
す図である。 １、26……非線形光学手段、６、20……活性媒体、７、
12……第１のミラー、５、14……第２のミラー、24……
別の周波数のレーザ放射を結合する手段。
れたレーザの構成の概略図、 第２図は、この発明を説明するための入力強度と反射強
度の関係を示す図、 第３図は、第１図のレーザで発生されたレーザパルス列
の時間的変化を示す図、 第４図は、合成レーザ共振器構成をもった２つの同期的
にモードロックされたレーザの概略図、 第５図は、あるレーザを他のモードロックされたレーザ
のパルス列に同期的にモードロッキングするための構成
を示す図、 第６図と第７図は、第４図と第５図のレーザの動作モー
ドを説明するための光子変換効率と反射率との関係を示
す図である。 １、26……非線形光学手段、６、20……活性媒体、７、
12……第１のミラー、５、14……第２のミラー、24……
別の周波数のレーザ放射を結合する手段。
Claims (16)
- 【請求項１】活性媒体と、第１と第２のミラーによって
画定され、上記活性媒体が配置されている共振器と、上
記活性媒体と第２のミラーとの間に配置されており、低
い強度の放射に比して高い強度の放射の優先的増幅を行
わせるための受動的モードロッキング用非線形光学手段
とを含むモードロックされたレーザであって、特徴とし
て、 上記非線形光学手段がレーザの基本周波数放射を第１と
第２の周波数の放射に、強度の増加に伴って第２の周波
数の放射の割合が増加するように、可逆的に変換し、さ
らに、上記第２のミラーが第１の周波数よりも第２の周
波数において大きな反射率を呈するようにされたモード
ロックされたレーザ。 - 【請求項２】請求項（１）に記載のレーザであって、上
記非線形光学手段が周波数２逓倍光学素子を含み、上記
第１の周波数がレーザの基本周波数であり、上記第２の
周波数が基本周波数の２倍の周波数であることを特徴と
するモードロックされたレーザ。 - 【請求項３】請求項（１）に記載のレーザであって、上
記第１の周波数がレーザの基本周波数で、上記第２の周
波数が上記基本周波数の３倍となるように上記非線形光
学手段が構成されていることを特徴とするモードロック
されたレーザ。 - 【請求項４】請求項（１）に記載のレーザであって、上
記非線形光学手段が、基本周波数が第１と第２の周波数
の和であるようなパラメトリック光学素子を含むもので
あることを特徴とするモードロックされたレーザ。 - 【請求項５】請求項（１）乃至（４）の１つに記載のレ
ーザであって、さらに、上記第２のミラーによって反射
された放射の位相位置を設定するための手段を有するこ
とを特徴とするモードロックされたレーザ。 - 【請求項６】請求項（５）に記載のレーザであって、上
記位相位置設定手段が上記非線形光学手段と第２のミラ
ーとの間に可回転的に配置された面平行ガラス板を含む
ことを特徴とするモードロックされたレーザ。 - 【請求項７】請求項（１）乃至（６）の１つに記載のレ
ーザであって、上記活性媒体と非線形光学手段との間
に、上記共振器から第２の波長の放射を外部に結合する
手段が配置されていることを特徴とするモードロックさ
れたレーザ。 - 【請求項８】請求項（７）に記載のレーザであって、上
記第２の波長の放射を外部に結合する手段が、第１の周
波数の放射よりも第２の周波数の放射をより多く反射す
るダイクロイックミラーを含むことを特徴とするモード
ロックされたレーザ。 - 【請求項９】基本周波数の放射を放出するための活性媒
体と、第１と第２のミラーによって画定され、上記活性
媒体が配置されている共振器と、上記活性媒体と第２の
ミラーとの間に配置され、上記第２のミラーと協働し
て、低い強度の放射よりも高い強度の放射を優先的に反
射させるように働き、かつ、基本周波数の放射を第１と
第２の周波数の放射に、強度の増加に伴って上記第２の
周波数の放射の割合が増加するような態様で、可逆的に
変換する非線形光学手段とを含み、上記第２のミラーは
上記第１の周波数の放射より上記第２の周波数の放射を
より多く反射するものであり、さらに、別の周波数のレ
ーザ放射を上記非線形光学手段に結合するための手段
と、上記非線形光学手段から放出される放射の通路中に
配置されており、基本周波数の放射と上記別の周波数の
放射に対する反射率が上記非線形光学手段中における上
記２つのレーザ放射の相互作用により生じる放射に対す
る反射率よりも低い反射器構体とを含むモードロックさ
れたレーザ。 - 【請求項１０】請求項（９）に記載のレーザであって、
上記別の周波数のレーザ放射を結合する手段が、上記第
１と第２のミラーの間の第１のビーム通路中で上記活性
媒体と非線形光学手段との間に、かつ、上記別の周波数
の放射のための第２のビーム通路中に配置され、上記別
の周波数の放射を上記第１のビーム通路の上記非線形光
学手段を含む部分へ偏向するビーム合成手段であり、さ
らに、上記反射器構体が上記第２のミラーで構成されて
いることを特徴とするモードロックされたレーザ。 - 【請求項１１】請求項（10）に記載のレーザであって、
上記第２のビーム通路が第２の活性レーザ媒体を含み、
かつ、この第２のビーム通路が第３のミラーによって上
記ビーム合成手段から上記第２のレーザ媒体の側に画定
されていることを特徴とするモードロックされたレー
ザ。 - 【請求項１２】請求項（10）に記載のレーザであって、
上記第２のビーム通路が別のレーザを含んでいることを
特徴とするモードロックされたレーザ。 - 【請求項１３】請求項（９）に記載のレーザであって、
上記別の周波数のレーザ放射が、上記第１と第２のミラ
ー間のビーム通路と上記非線形光学手段において交わ
り、別のミラーによって画定されるビーム通路を通り、
また、上記反射器構体が上記第２及び／または別のミラ
ーによって形成されていることを特徴とするモードロッ
クされたレーザ。 - 【請求項１４】請求項（９）に記載のレーザであって、
上記非線形光学手段が２つのレーザ放射の和または差の
周波数を生成する結晶を含むことを特徴とするモードロ
ックされたレーザ。 - 【請求項１５】請求項（９）に記載のレーザであって、
上記非線形光学手段がラマン活性媒体を含み、２つのレ
ーザ周波数が、W1とW2をこれら２つのレーザ放射の周波
数とし、Ωを上記非線形光学媒体のラマン偏移として、
W1−W2＝ΩまたはW2−W1＝Ωを満足するものであること
を特徴とするモードロックされたレーザ。 - 【請求項１６】請求項（９）に記載のレーザであって、
上記非線形光学手段がパラメトリックな手段を含んでい
ることを特徴とするモードロックされたレーザ。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE3736881.8 | 1987-10-30 | ||
| DE19873736881 DE3736881A1 (de) | 1987-10-30 | 1987-10-30 | Modengekoppelter laser |
| DE3826716A DE3826716A1 (de) | 1987-10-30 | 1988-08-05 | Modengekoppelter laser |
| DE3826716.0 | 1988-08-05 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01147881A JPH01147881A (ja) | 1989-06-09 |
| JP2660227B2 true JP2660227B2 (ja) | 1997-10-08 |
Family
ID=25861309
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63274348A Expired - Lifetime JP2660227B2 (ja) | 1987-10-30 | 1988-10-28 | モードロックされたレーザ |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4914658A (ja) |
| EP (1) | EP0314171B1 (ja) |
| JP (1) | JP2660227B2 (ja) |
| DE (2) | DE3826716A1 (ja) |
Families Citing this family (31)
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|---|---|---|---|---|
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