JP3053943B2 - 非線形自己集束素子を使用するモード同期レーザ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は受動モード同期レーザお
よびモード同期作動を開始させる機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】モード同期レーザに関して多くの機構が
従来技術で開発されてきた。すべての機構は、短いパル
スが発生されるように、レーザの各種の縦モードを位相
同期する機能を持つ。若干の機構は、共振器内でラウン
ド・トリップ利得(往復利得)を変化させる能動素子を含
む能動モード同期レーザとして知られている。他の機構
では受動素子に信頼をおいている。本発明は後者のカテ
ゴリーに入る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、素子に加え
られた電界の振幅の２乗に比例して変化する屈折率を有
する透過性素子を使用する。一般にカー効果と呼ばれる
この現象は長年研究され、利用されてきた。例えば、電
界の変化はカー効果偏光子を作るために使用されてき
た。

【０００４】電子カー効果は光ビームの電界によって生
じ、またこの場合における材料の応答時間は極めて速
く、このことは光ビームがその素子材料を通過するとき
にわかる。カー効果はモード同期レーザでパルスを形成
して短縮するために使用することができることが報告さ
れた従来技術の重要な部分がある。この方法は、パルス
の帯域幅が自己位相変調を生じさせるカー効果を経て利
得帯域幅以上に延びることができるという事実に基づい
ている。いったんパルスの帯域幅が延長されると、その
持続時間は、次に、適当な分散遅延ラインを加えること
によって圧縮することができる。この方法が、レーザ・
システムにおいていくつか他の独自なモード同期機構に
よって作られた既存パルスを短縮するために使用される
ことは注目すべきである。

【０００５】別の効果は、不均一な空間強度形状（プロ
ファイル）を有するレーザビームが、ビームの電界強度
によって屈折率が変化する材料を通過するときに確認さ
れる。特に、不均一な２次元の横空間強度変化を有する
ビームは、その材料の屈折率を不均一に変化させて即時
集束レンズを生じさせる。この効果は自己集束と呼ば
れ、ビーム強度に比例してビームの形状を自己変化させ
る。

【０００６】従来の装置はカー効果の自己集束に頼って
設計されてきた。例えば、自己集束は光学的な両安定性
を作るために使用された（１９８１年７月発行「光学レ
ター」第７号第６巻のビョルホルム（Bjorholm）らによ
る「自己集束に基づく光学的な両安定性」参照のこ
と）。しかし、モード同期レーザを含むほとんどの場
合、従来技術では、空間自己集束効果をビームのゆがみ
を避けるために最小にすべきであると説いている。従っ
て、パルスを圧縮するカー効果の素子を使用する大部分
の従来技術のシステムの共振器は、自己集束効果を最少
化するように設計された。（「応用物理」Ｂ−３７，１
−６（１９７５年）のフォン・デル・リンデおよびマル
ベェズィによる「内部空洞の自己位相変調およびモード
同期レーザにおけるパルス圧縮」参照のこと。）対照的
に、本発明によれば、共振空洞は、モード同期作動がで
きるように強度（臨界電力またはそれ以下の強度に関す
る）に比例してレーザのラウンド・トリップ利得を増加
させるために自己集束効果によって作られたビームの空
間形状の変化という利点を取るように構成される。

【０００７】従って、本発明の目的は新規の改善された
モード同期レーザを提供することである。

【０００８】本発明の他の目的は、非線形材料に発生す
る自己集束効果に頼るモード同期レーザを提供すること
である。

【０００９】本発明の他の目的は、利得媒体からのエネ
ルギの抽出を増加させるために自己集束効果を使用して
強度の増加に応じてビームの空間形状を変化させるモー
ド同期レーザを提供することである。

【００１０】本発明の他の目的は、レーザ損を減少させ
るために自己集束効果を使用して強度の増加に応じてビ
ームの空間形状を変化させるモード同期レーザを提供す
ることである。

【００１１】本発明の他の目的は、受動モード同期レー
ザを提供することである。

【００１２】本発明の他の目的は、簡易なモード同期機
構を提供することである。

【００１３】本発明の他の目的は、利得媒体で生じる自
己集束をレーザモード同期のために使用するレーザを提
供することである。

【００１４】本発明の他の目的は、チタン・サファイア
・レーザをモード同期させる機構を提供することであ
る。

【００１５】本発明の他の目的は、受動モード同期レー
ザでモード同期作用を確実に開始できる機構を提供する
ことである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、利得媒体が配
置される共振空洞を有するレーザを含む。利得媒体を励
起させる装置はレーザビームを発生させるために具備さ
れる。

【００１７】本発明によれば、装置は空洞内に具備さ
れ、自己集束効果に基づいてレーザをモード同期する機
能を果たす。この装置は材料の屈折率がレーザビーム強
度に関して変化する非線形材料で形成された透過性素子
を備える。この素子は個別な素子であるか、または利得
媒体自体によって形成されるレーザ内のビームは不均一
な強度分布を有するので、この素子はビームの２次元横
空間形状を変化させる。

【００１８】本発明によれば、レーザのラウンド・トリ
ップ(往復)利得がビーム強度の増加に応じて増加するよ
うに、装置は設計される。ラウンド・トリップ利得は、
単一パス飽和利得と単一パス損失の差の2倍として形成
される。

【００１９】この後者の成果は２通りの方法で達成する
ことができる。まず、ビームの空間形状の変化を用い
て、利得媒体内のポンプ源によって生成した励起量に循
環ビームを一段と良く適合させてより多くのエネルギを
引き出す。もう一つは、増加強度に応じたビームの空間
形状の変化を用いてラウンド・トリップ損を減少させる
ことができる。後者の効果を達成する１つの方法は、空
洞内にアパーチャを設けると共にビームのパラメータを
制御して強度増加により該アパーチャにおけるビーム径
を減じ、レーザがモード同期されるときにアパーチャに
よる損を一段と低くすることである。

【００２０】本方法では、システムに対して任意の摂動
が循環ビーム強度を十分に変化させるときに、モード同
期パルスは発生する。この変化は、空洞の配列と長さの
双方またはどちらかの高速摂動（この摂動は空洞ミラー
の鋭い動きによって生成される)によって起こされる。
より進歩した他の方法を使用することもある。例えば、
（レーザを能動モード同期させるように使用する型の）
音響光学変調器を用いて強度変化を生成することができ
る。いったん変化が生成されると、変調器は停止されて
自己集束効果はモード同期効果を持続する。

【００２１】好適な実施例では、透過性光学素子はブル
ースター角で空洞内に設けられる。モード同期作用を開
始するために、光学素子はビームの光路長を変えるよう
に回転される。いったんモード同期作用が開始される
と、光学素子は透過を最大にするためにブルースター角
に戻される。

【００２２】本発明の例示された実施例の１つでは、こ
の方法はチタン・サファイア・レーザをモード同期する
ために使用される。このシステムでは、レーザがソリト
ンのような(以下「ソリトン状」という)動作を示すように
正味の負の群速度分散を導入する装置を空洞内に含む。
この作動は多くの型の摂動に対して極めて安定してい
る。

【００２３】本発明の別の目的および利点は、図面と共
に以下の詳細な説明から明白になると思われる。

【００２４】

【実施例】図１を参照すると、本発明のレーザ１０の基
本形が例示されている。レーザはミラー１２と１４から
形成された共振空洞を含む。利得媒体１６は空洞内に設
けられる。この実施例では、利得媒体はレーザビームの
強度に依存する屈折率を示す材料で形成され、その屈折
率は、レーザをモード同期させるようにビームの２次元
の横空間形状を変化させるのに十分である。

【００２５】もう１つのレーザ１８のような装置が、利
得媒体を励起させるポンプ源として示されている。図１
において、ポンプ・ビームは利得媒体が共線的にポンプ
されるようにミラー１２に入ることが示される。ポンプ
源はレーザ・ダイオードまたはフラッシュランプとする
こともでき、またＣＷまたはパルス式とすることができ
る。ポンプ源はモード同期かつ同期ポンピングとするこ
とができる。

【００２６】ミラー１４はまたレーザビームを抽出する
出力カプラを形成する。装置（２０で概略的に示す）が
設けられており、この装置20は（ミラー１４を動かすこ
とによって）共振空洞の配列と長さの双方またはどちら
かに高速変動を生成しビーム強度に変動を起こし、ビー
ムは次にモード同期動作を起こすように増幅される。変
動によって循環ビームの強度に若干の増加（スパイク）
が認められる。ミラー走査は、利得曲線を介して損失に
関する波長依存ウィンドウとして機能し、循環ビームの
強度に変動が生じる。

【００２７】上記の通り、ビームが不均一な強度分布を
有するので、利得媒体の自己集束効果はビームの２次元
の横空間形状を変化させる。２本の軸の各々におけるビ
ームの空間形状の変化は同じである必要はなく、実際に
１本の軸におけるものの方を他方の軸におけるものより
も極めて大きくすることができる。どのような場合で
も、ビーム強度が増大されたときのビームの空間形状の
変化がシステムのラウンド・トリップ利得の増加を生じ
させるようにレーザは設計される。

【００２８】図１に示す実施例では、この成果は、強度
の変動が生じた際に循環ビーム２２が励起した利得容量
からより多くのエネルギ量を引き出すようにレーザのパ
ラメータを制御することで達成される。図１に示す通
り、ポンプ・ビーム２４は、安定状態のもとでは循環ビ
ーム２２より大きな直径を有することができる。しか
し、変動が発生すると利得媒体の自己集束効果は、励起
領域の容積とポンプおよび循環ビームが一段と良く適合
し、より多くのエネルギが得られるようにビーム２２を
再生する機能を果たす。この効果は、変動の各パス(通
過)の際に利得材料内に即時発生する。多数のパスにも
拘らず、優先利得はＣＷ作動を停止させモード同期パル
スを生成する機能を果たす。これらの基準に合致する空
洞の設計に関して考慮される要因の検討を以下詳細に説
明する。

【００２９】図２を参照すると、本発明を含んでなる他
のレーザ・システム３０が例示されている。第１実施例
と同様に、共振空洞は一対の端部ミラー３２と３４との
間に形成され、ミラー３４は出力カプラとして作用す
る。利得媒体３６は共振器内部に設けられ、例えばフラ
ッシュランプ３８のようなポンプ源によって励起され
る。ビーム強度の変動を引き起こす装置（概略的に番号
４０で示す）が設けられている。

【００３０】この実施例によると、非線形自己集束効果
は別個の透過性素子４２によって与えられる。この個別
要素の使用は、利得媒体の自己集束効果が共振器にモー
ド同期効果を生じさせるには不十分な場合に望まれる。
後者の方法に対する利点としては、素子４２を共振器の
集束ブランチ内に設けることができることである。集束
ブランチはミラー４４と４６によって定められる。この
追加のミラーは、自己集束効果の設計において、共振器
モードにより多くの自由度を与える。

【００３１】この個別の非線形素子４２を追加したこと
を除けば、図２のレーザ作動は図１の作動と同じであ
る。特に、レーザは、強度の増加に応答するビームの空
間形状の変化が利得媒体３６の励起量から抽出されるエ
ネルギを増加させる機能を果たすように設計される。

【００３２】図３を参照すると、レーザ損がビーム強度
の増加中に減少される２つの実施例のうちの最初の１つ
が例示されている。レーザ５０はミラー５２と出力カプ
ラ５４によって形成された共振空洞を含む。利得媒体５
６は空洞内に設けられ、適当なポンプ源（図示されてい
ない）によってポンピングされる。この実施例では、利
得媒体は、図１の実施例と同様に非線形光学素子の機能
を果たす。

【００３３】この実施例によると、アパーチャ６０を有
するプレート５８が具備されている。レーザがＣＷモー
ドで作動されるときにビームの２次元の横空間形状がア
パーチャ６０より大きな直径を有するように共振器が設
計されているので、プレート５８はシステムに損失要因
を課すことになる。ビーム強度の増加の際に利得媒体内
で生じる自己集束がアパーチャ６０におけるビームの直
径を減少させる機能を果たすようにも共振器のパラメー
タが設計されており、その結果一段と多くのエネルギは
そこを通過する。この構成によって、強度が増大したパ
ルスは低損失（または上記のより多くのラウンド・トリ
ップ利得）となる。共振器内での繰返しパスの後、ＣＷ
作動は停止され、モード同期パルス作動のみが存在す
る。アパーチャ６０は、ＣＷモードとモード同期モード
間の形状の相違の性質に依存して円形、楕円形または簡
単なスリットのいずれかにすることができる。

【００３４】図４は、図３の実施例と同様な方法で作動
するレーザ装置７０を示す。レーザ装置７０はミラー７
２と出力カプラ７４によって形成される共振器を含む。
利得媒体７６は共振器内に設けられ、適当なポンプ源
（図示されていない）によってポンピングされる。この
実施例では、非線形自己集束効果は別個の透過性素子７
８によって達成される。図２に示す実施例と同様に、非
線形素子７８は共振器の集束ブランチ内に設けられる。
ミラー８０と８２により共振器の自由度を増すことがで
き、それにより適切な自己集束効果を一段と容易に達成
することができる。

【００３５】図３の実施例にある通り、レーザ装置は更
にアパーチャ８６を有するプレート８４を具備する。こ
こでも、レーザがＣＷモードで作動されるときに、循環
ビームの直径が、損失を生じるアパーチャ８６の直径よ
りも大きくなるように共振器のパラメータは設計され
る。レーザ装置はまた、ビーム強度の増加の際に利得媒
体に生じる自己集束が損失を減じるためにアパーチャ８
６におけるビームの直径を減少させる機能を果たすよう
に構成される。

【００３６】図５は本発明に従って形成されたレーザ・
システム１１０を示し、前記システムは良好に作動し、
安定した１０^−１５秒のソリトン状パルスを発生させ
た。このレーザ１１０は、高反射ミラー１１２と出力カ
プラ１１４によって形成された共振空洞を有する。チタ
ン・サファイア（Ｔｉ：Ａｌ_２Ｏ_３）で形成された２２
mmのロッドによって形成された利得媒体１１６は共振器
の集束ブランチ内に位置している。この集束ブランチは
１対の球面ミラー１１８と１２０によって形成され、各
ミラーは１５cmの曲率半径を有する。ミラー１２０とロ
ッド１１６との間の距離Ｄ_１は７５.０cmである。ロッ
ドとミラー１１８との間の距離（すきま）Ｄ_２は７７.
０cmである。ミラー１１４と１１８との間の距離（すき
ま）Ｄ_３およびミラー１１２と１２０との距離Ｄ_４は共
に８６０cmである。

【００３７】ロッドは、８ワットのＣＷアルゴン・レー
ザ１２２からのレーザビームによって共線形にポンピン
グされる。ポンプ光はレンズ１２４によって空洞内への
中で結合される。そのような共線形ポンピングは非点収
差熱レンズを作るが、このレンズの安定性に関して検討
すべきである。それらの検討は、１９９０年５月２２日
出願の係属中の米国特許出願第０７／５２７,０１３号
の中で極めて詳細に説明されており、参考として本明細
書で採用されている。空洞は更に、付属装置のない複屈
折フィルタ１２６を含み、このタイプのフィルタは１９
８９年６月５日出願の同時係属中の米国特許出願第０７
／３６１,３９５号で説明されており、参考として本明
細書で採用されている。複屈折フィルタは出力ビームの
波長を合わせるために具備される。ＢＲＦフィルタ１２
６はミラー１１８から６６cm離して設けられる。

【００３８】本発明に従って、ビーム強度が増加すると
きにラウンド・トリップ利得がある範囲において増大す
るようにチタン・サファイア・ロッド１１６内で起こる
自己集束がビームの２次元の横空間形状を変化させるよ
うに共振器は設計される。このレーザでは、ラウンド・
トリップ利得は上記の両方法を使用して増大される。特
に、強度変動から生じる、ロッド内のビームの空間形状
の変化により多くのエネルギが抽出され利得が増加して
利得媒体の励起量に適合する改良モードとなるように共
振器は設計される。

【００３９】利得の増加に加えて、約２mmのスリット１
３０を有するプレート１２８が強度変動に応答して損を
減少させるために具備される。プレート１２８はミラー
１１８から５cm離して設けられる。共振器のパラメータ
はまた、プレート１２８におけるビームの直径が強度変
動の際に減少するように設計され、その結果一段と多く
の光がアパーチャ１３０を通過する。

【００４０】上記の通り、ＣＷ作動からモード同期作動
を開始するために、ビーム強度の若干の変動が導入され
なければならない。実験装置において、この変動は１つ
の共振器ミラー１１２または１１４を動かすことによっ
て誘導された。十分な摂動はミラーの１つを物理的にた
たくことによって生成される。ミラーの１つにＰＺＴ
（図示されていない）を取付けその位置を走査して共振
器の配列と長さの双方またはいずれかを変更することに
よって開始はまた達成された。上記の通り、この摂動は
単一過度状態のみを作る必要があり、それからレーザは
パルス式モード同期作動を促進し始める。

【００４１】より複雑で、また、おそらく一段と信頼で
きる効果は、共振器内に取り付けられた音響光学装置に
よってもまた達成されたであろう。そのような装置が初
期変動を起こすために使用されると、それは次に停止さ
れる。初期実験で、利得の１％以下の変調を与えるＡＯ
（音響光学）変調器はモード同期動作を信頼できる程度
に誘導するには十分であることが判明した。このレベル
で機能するＡＯ変調器は比較的安価である。

【００４２】モード同期作用を開始する他の機構は、図
１５〜１８に関連して以下説明される。図１７に示す機
構は本発明の商業的実施として利用されている。

【００４３】上記の通り、利得媒体の自己集束効果はモ
ード同期動作を確立するために使用される。また非線形
材料の周波数領域自己変調効果は、パルス圧縮を１０
^−１５秒単位で行なうことに貢献するとまた信じられて
いる。後者の効果は前述の従来技術によるレーザに使用
されモード同期作動を確立する別個の機構を含んだもの
と類似している。

【００４４】ソリトン状パルスの形成は、正味の負の群
速度分散を生成する装置が共振器に含まれるならば、達
成できることもまた判明した。図５に示す通り、この装
置は設計離間距離６０cmの１対のプリズム１３６と１３
８を含むことができる。これらのプリズムはＳＦ１０か
ら形成することができる。これらのプリズムの間隔と、
両プリズムを通過するビームの光路長を変化させること
によって、空洞内での群速度分散量を変化させることが
できる。周波数領域かつ時間領域のソリトン状パルスの
形成について以下にさらに詳細に説明する。

【００４５】本レーザでは、チタン・サファイア結晶性
利得媒体は、正の群速度分散と自己位相変調のいずれに
も貢献する。プリズムの組は、それらの効果を補足し、
かつ空洞内で正味の負の群速度分散を作るように使用さ
れる。群速度分散と自己位相変調とのバランスをとって
安定したソリトン状の作動を達成することは、色素レー
ザでは周知の事であり、流動性飽和吸収体溶液を含むチ
タン・サファイア・レーザでも認められた。（米国光学
協会会報、超高速現象５月号１４〜１７で報告された。
石田らによる「ＣＷ受動モード同期Ｔｉ：Ａｌ_２Ｏ_３レ
ーザにおけるソリトン状パルスの形成」を参照された
い。）

【００４６】図５に示すレーザは共振器の長さまたは配
列の変化にたいして比較的鈍感な高安定モード同期パル
スを作ることに注目すべきである。つまり、複雑で高価
な能動フィードバック技術は共振器を安定させる上で必
要としない。

【００４７】共振器設計理論 本発明に従って作動する共振器の設計開発のために、内
部空洞材料の熱レンズ特性および非点効果のような多数
の要因を考慮しなければならない。それらの効果は、Ａ
ＢＣＤマトリックス法を使用して共振器の基本モードを
計算する際に考慮される。非線形材料を含む共振器モー
ドの解を得るために、標準ＡＢＣＤ法は前記効果による
強度を考慮して修正かつ拡張されなければならない。こ
れらの従来技術に対する拡張は以下で説明する。

【００４８】ＣＷ作動とモード同期（ＭＬ）作動との間
の強度依存モード変化に基づいてモード同期レーザ共振
器を設計する際に、空間領域、時間領域および周波数領
域効果を同時に考慮する必要がある。これら３つの領域
はすべて複雑な相互関係があり、非線形媒体の強度依存
屈折率は各領域の記述による。最低次数の非線形効果
は、非線形屈折に起因する３次感受率ｘ^（３）から起こ
る。ｘ^（３）によって求められる屈折率の強度依存は次
式となる。

【式１】 ここで、ｎ_０は（例えば、セルマイヤーの方程式によっ
て与えられる）線形部分であり、Ｉは非線形媒体の内側
にある光学フィールドの強度であり、またｎ_２は下記関
係式によるｘ^（３）に関する非線形指数係数である。

【式２】 屈折率の強度依存は多数の関連性を持つ非線形効果を導
くが、これらの効果は非線形共振器の設計、自己位相変
調（ＳＰＭ）及び自己集束にとって特に重大な２つの効
果を含んでいる。ＳＰＭ効果は時間的（およびフーリエ
変換による周波数）動作を主に確定し、自己集束効果は
非線形媒体内で伝搬する短パルス・ビームの空間動作を
確定する。これら２つの効果は多くの点に関して結合さ
れ、いずれも非線形モード同期レーザ共振器の設計の際
に考慮されなければならない。

【００４９】まず自己集束効果の詳細を検討し、次に、
ＳＰＭと、得られた最終パルス形状に対するSPMの効果
はもちろん、パルスの時間的発達に対するSPMの効果の
検討へと続く。

【００５０】自己集束−非線形媒体における自己集束非
点ビームの伝搬 方程式（１）を検討すれば、非線形媒体に入射する不均
一な空間形状を伴うビームに関して、媒体の屈折率は、
ビームを横切る各横方向位置ｒにおけるフィールドの強
度Ｉに比例して変化することがわかる。ガウス形状によ
りビームの空間依存を示すならば、次式となる。

【式３】 ここでＰ_ｐはパルスのピーク電力であり、Ａ＝πｗ_ｘｗ
_ｙのビーム面積であり、ｗ_ｘとｗ_ｙは非点ビームの長
軸、短軸に沿うビームの横半径であり、またｗ（ｘ，
ｙ）はビーム軸を中心とする放射ベクトルｒに沿う横半
径である。この定義を方程式（１）に代入し屈折率に関
する次式を得る。

【式４】

【００５１】この式の限定的な指数展開により次の指数
変化の近似式が導かれる。

【式５】

【００５２】この時点において、この方程式を「ダク
ト」内の屈折率に関する標準方程式と比較することは有
用である。ダクトは任意な誘電媒体であり、この媒体は
2次関数変化する屈折率を有し、この場合は軸上で最大
となる。一般に非点ダクトを検討するが、その２次曲線
は入射ビームの長軸及び短軸に沿って異なる。１本の軸
に沿う指数変化は下記近似形を有する。

【式６】 ここで、ｎ_ductは軸に沿う指数曲線であり、ｒ＝０で次
式となる。

【式７】 ダクトに関するＡＢＣＤマトリックスの要素は次に下式
によって与えられる。

【式８】 ここで、γは次式により定められる。

【式９】

【００５３】非線形媒体に入射するガウス・ビームに関
して展開した式(５)と、２次関数的に変化する任意の誘
電媒体に関して展開した式（６）を比較すれば、「非線
形ダクト」は次式に留意して構築される。

【式１０】

【００５４】非線形ダクトの焦能力は次に下式により与
えられる。

【式１１】 ここで、ｄｚはビーム伝搬軸に沿うダクト要素の長さで
ある。方程式(11)はｄｚが微小である場合にのみ有効で
あり、実際には、拡張された非線形媒体を通るビーム伝
搬動作を計算するために微小連続ダクト要素に関するス
プリットステップ法を利用しなければならない。各ステ
ップから求められた出力パラメータは、次のダクト・ス
テップ要素の入力パラメータとして使用される。一般に
ｚに沿う微小ステップのサイズは、ビームの直径の変化
が任意の特定なステップを横切る方向に微小であるとい
う基準により決定される。適正な動作は、ステップのサ
イズを更に小さくした場合に最終出力ビーム伝搬パラメ
ータが変わらないことを確認することにより実証され
る。この方法で非線形媒体内における非線形伝搬動作を
計算することができる。

【００５５】上記の展開で使用された近似は、非線形媒
体の臨界電力までのピーク電力、ときには臨海電力をわ
ずかに上回るピーク電力に対して有効である。臨界電力
は、自己集束効果で作られた焦能力が伝搬しているガウ
ス・ビームの正常回析により正確にオフセットされる場
合の電力として定義される。この電力でビームは、伝搬
距離の関数であるその横半径を増減することなく完全に
ガイドされる。事実上臨界電力を上回る電力に対する空
間効果を正確に予想することは極めて困難であり、この
電力を上回る３次元ビームは集束およびフィラメント発
振に関して不成功に終わり、しばしば非線形媒体に重大
な光学的損傷をもたらす。従って一般に、材料の臨界電
力以下で作動する共振器を設計することが望ましい。臨
界電力は、非線形ダクトの焦能力に関する方程式(11)を
ガウス・ビームに関する回折を支配する方程式と比較す
ることにより計算することができる。ガウス・ビームに
関する曲率半径は下式のように変化する。

【式１２】 ここで、ｘ_Ｒはπｗ_Ｏ ^２／λにより与えられるビームの
レイリー範囲であり、ｚはビームのくびれからの距離で
あり、ｗ_Ｏとλは波長である。自己ガイドの条件として
はｚ_Ｒ>>ｚとＲ(z)＝ｚ_Ｒ ^２／ｚおよび１／Ｒ(z)＝１／
ｆductである。これらの２つの量を等しくすれば、対称
ビームに関する臨界電力Ｐ_Ｃを次式によって得ることが
できる。

【式１３】

【００５６】自己集束がただ１つの横方向次元(２次元)
においてのみ生じるように次元問題を少なくしてやれ
ば、臨界電力を超える電力に関する波動伝搬方程式の正
確な解を得ることが可能である。この２次元の場合、臨
界電力を上回る電力において空間ソリトンの形成を確認
することができる。米国特許第４,９２８,２８２号は、
空間ソリトン技術を使用したモード同期レーザについて
記述している。レーザが臨界電力を十分に上回って作動
することが要求されるこの技術の利用には制限がある。
利得媒体からエネルギを有効に抽出するように共振器を
構築しかつ設計することは困難である。対照的に、本発
明で使用される方法においては、ビームの空間形状を臨
界電力以下で、３次元で変化させており、空間ソリトン
技術を上回る多くの実用的な利点がある。

【００５７】モード同期を誘導維持するために必要な内
部空洞のビーム形状の強度依存変化は、結晶の長さが共
振器ビームの約２レイリー範囲に適合するようにレーザ
共振器の内側、通常は、（強度を高めるために）焦点ア
ームの内側に適当な非線形媒体を設けることにより達成
することができる。レーザポンピングされるレーザ発信
器（TiA1203同等）の場合、共振器ビームのわずかなレ
イリー範囲に一致する結晶長さの条件は、その媒体から
有効な利得を抽出していることで既に適合している。こ
の特殊な場合では利得媒体と非線形媒体の機能を組合わ
せることが可能であり、従って、単一の光学構造体の中
にレーザ利得とモード同期素子を供給することができ
る。その組合わせの場合には、ポンピング・ビームによ
り誘導される熱レンズ作用から利得媒体に導入される追
加の集束効果が上記略述されたビーム伝搬方程式に組み
込まれることが要求される。非線形自己集束を伴うと、
この効果は、それが非点ガウス・ビームによって誘導さ
れるので一般に非対称となる。

【００５８】非線形熱非点集束利得媒体における非点ビ
ームの伝搬 線形熱レンズ作用と非線形自己集束の効果を同時に出す
ために、上記スプリットステップ伝搬法を変形したもの
が適用される。前記の通り、非線形媒体は１つ１つが適
当な長さの十分な数の連続要素に分割される。それらの
各要素に対して、要素の集束電力は、非線形自己集束効
果からの電力とポンプ・ビームの吸収によりこの容量要
素内で生成された熱レンズからの電力との組合とされ
る。非点ポンプ・ビームにより生成された非点熱レンズ
の焦能力は、上記係属中の米国特許出願第０７／５２
７,０１３号で説明される方法で計算することができ
る。従って、この複雑な構造体を通る共振器ビームの伝
搬を計算するには、励起（ポンピング）ビームと共振器
ビーム双方の入力半径および曲率半径を知る必要があ
る。第１要素の焦能力は、これらの入力ビーム・パラメ
ータから計算され、出力ビーム・パラメータは次の集束
ダクト要素への入力として利用される。計算は要素から
要素へと次々とステップして行なわれ、どのような非点
収差のみならずポンピング・ビームの強度減少も考慮さ
れる。この多重要素ダクト構造体の出力ビーム・パラメ
ータが入力ビーム・パラメータに対して非線形であるこ
とがこの構造体を非可逆構造体としている。すなわち、
上記で計算された出力ビーム・パラメータが対向する構
造体内を逆方向に戻るように伝搬されると、元の入力パ
ラメータは求められない。このことは、自己無憧着共振
器モード解を反復手法を適用して求める必要があること
を要求する。

【００５９】実行の際、自己無憧着共振器モード解は、
ゼロまたは極めて低い共振器ビームピーク電力のモード
を計算し、このモードを非線形共振器計算の最初の近似
として使用することによる「低ピーク電力」での計算を
開始することで求められる。低ピーク電力モードの横半
径と曲率半径は任意方向の多重要素ダクトへの入力にお
いて計算することができ、ビームは次に出力ビーム・パ
ラメータが達成されるまで非線形媒体を経て伝搬され
る。これらのビーム・パラメータは、非線形要素の「出
力」側の光学構造体の残りの部分にビームを伝搬するよ
うに使用され、ビームは再び非線形構造体に戻る。この
点におけるパラメータは次にビームを非線形熱レンズダ
クト内でステップ毎に戻すように伝搬させるために使用
され、新しいビーム・パラメータが非線形媒体の元の入
力側で得られる。ビームは次に、この空洞の端部で光学
構造体を経て伝搬され、結局非線形ダクトの元の入力側
に戻される。この全工程は、ダクト内への新しい入力パ
ラメータが、１つの反復から次の反復までに半径および
曲率パラメータの変化が１％以下であるといった集束基
準に合致するまで続行される。共振器が特定の入力ピー
ク電力、ポンプ電力およびビーム・パラメータにおいて
安定した自己無憧着モード解を持たないならば反復計算
は収束しない。

【００６０】上記略述された計算法により、光学共振器
内の任意点における３次元モード変化を予想すると共
に、この情報を用いてレーザのモード同期作動動作を最
適化することができる。この最適化を達成するには、モ
ード同期と組合わされた自己集束の少なくとも２つの重
要な明示を検討すべきである。第１はモード同期作動と
ＣＷ作動との間の差動利得によるモード容量変化の効果
であり、第２はモード容量変化により生じた飽和性吸収
の効果であり、このモード容量変化はモード同期を誘導
する目的で共振器内に故意に設けられたアパーチャの位
置で生じる。

【００６１】差動利得 ＣＷ作動用よりも好ましいモード同期を行なうための実
質的な駆動力は、上記自己集束効果の存在で利得抽出が
一段と高められる光学共振器を構築して作ることができ
る。共振器の低ピーク電力（ＣＷ）モードに対して与え
られた共振器の構成に関する単一パス利得を計算すると
共に、これを高ピーク電力時（モード同期）に存在する
モードの単一パス利得と比較することにより、利得抽出
の高揚効果を見積ることができ、またモード同期設計基
準を確定することができる。TiA1203の場合、正しい条
件下で、モード同期の単一パス利得を単一パス利得ＣＷ
よりも１０％以上大きくすることができる。特定モード
の単一パス利得は、励起利得容量と共振器モード容量の
間の３次元の重なりに依存する。モード同期された共振
器モードがCWモードで生成される励起利得容量よりもポ
ンプ・ビームで生成される励起利得容量と事実上良好に
重なりを形成する共振器を構築することができる。

【００６２】図６は、この原理をTiA1203結晶内の位置
に対する各種ビームの横半径をグラフ化して表示する。
図６は、結晶の入力表面からの位置ｚにおいてポンプ・
ビームの電力が下式となるように励起波長において結晶
の吸収係数αによって与えらる比率で吸収されるポンピ
ング・ビームのＸＺとＹＺの伝搬を示す。

【式１４】 ここで、Ｐ(０)は結晶に作用する入射電力である。この
方程式およびＸＺとＹＺの横半径から、励起ビームの各
位置ｚでの強度分布は下式により容易に計算される。

【式１５】 ここで、ｗ_ｘｐとｗ_ｙｐはそれぞれ位置ｚにおけるポン
プ・ビームのＸとＹの横半径である。図７は、１ワット
のピーク電力（ＣＷ）時の自己無憧着共振器モードを示
す。図８は、４５０キロワットのピーク電力のモード同
期の場合に関して上記方法により求められた高ピーク電
力反復解を示す。この例の場合に見られるように、ＣＷ
およびモード同期モードでは利得媒体内の形状がまった
く相異する。本明細書で計算された例の場合、図５に関
して説明した寸法を有するレーザに対して６ワットの平
均ポンプ電力が想定された。この例の場合、ＣＷおよび
モード同期の共振器モードの単一パス利得の比率は下式
で示すものであった。

【式１６】 これは、レーザのモード同期作動を与える極めて大きな
差動利得の可能性を表わしている。これらの距離、角
度、ポンプ条件、結晶位置等を変化させて、有意義に異
なる比率を確認することができる。

【００６３】各種の指定パラメータに対する差動利得の
感度の１例として、図９は、上記共振器に関して共振器
内のピーク電力の関数として、かつ、７２〜８１mm範囲
の距離Ｄ_２の関数として計算された相対単一パス利得を
示す。Ｄ_２＝７２，７３，７４mmの場合、曲線の勾配
は、ＣＷ（低ピーク電力）利得より低いモード同期（高
ピーク電力）利得に対して実際には負となる。それらは
モード同期動作を確認する上で都合の悪い指定寸法であ
る。Ｄ_２＝７５〜８１mmの場合、長い距離（７８および
７９mm）では全利得が低くなるが、差動利得はモード同
期を与える。従って最適なモード同期の安定化はほぼＤ
_２＝７５〜７７mmに限られ、この発信器の全ＣＷ安定領
域の微小部分に限られる。

【００６４】アパーチャによる飽和性吸収 差動利得に加えて、モード同期発信器の最適な設計をす
るうえで考慮すべき自己集束の他の重要な明示は、モー
ド同期を誘導するために共振器内に計画的に設けられた
アパーチャの位置で発生するモード容量変化によって生
成された飽和性吸収である。その変更は上記の通り、反
復性非線形自己無憧着共振器の計算方法により、どちら
かの方向に伝搬するビームの共振器内のいずれの位置に
おける横モード径を計算できる。共振器は非可逆素子を
含むので、同位置で異なる半径を有することができ、共
振器内での伝搬方向が考慮される。これらの要素を考慮
すると、低ピーク電力と比較して高ピーク電力に関して
計算された場合にビームの直径が一段と低くなるような
共振器内での特定の位置を定めることができる。これら
の位置はアパーチャを設けるのに理想的であり、アパー
チャはモード同期のモードに比較してＣＷモードのラウ
ンド・トリップ損を効果的に増加させる。これらのアパ
ーチャにより生成される差動損は、極めて大きくなるこ
とがあり、また、飽和性吸収と類似しているので一般に
強度依存である。

【００６５】図１０は、共振器モードのＸＺとＹＺの横
半径を、ＣＷの場合のＤ_１＝７５およびＤ_２＝７７の値
を持つ上記の例に関する共振器内の位置の関数として示
す。図１１は、高ピーク電力（４５０キロワット）の場
合の同じ情報を示す。これら２つのグラフを検討すれ
ば、アパーチャに隣接する湾曲化されたミラーにおい
て、ビーム径が、ＣＷのＸＺ面における１.６２mmの値
からモード同期されたＸＺ面における１.３７mmの値に
降下することが示されている。ＸＺ面のこの位置の近く
にスリット・アパーチャを設けることはモード同期を誘
導して非常に安定させる。

【００６６】図１２は、両方向およびＸＺとＹＺの両面
におけるビームの内部空洞ピーク電力に対する計算され
たモード直径の動作を示す。同図に見られるように、
１.６２mmから１.３７mmまで下がる直径の変化は、内部
空洞のピーク電力を１ワットから４５０キロワットまで
上昇させることにより誘導することができる。この図
は、ＹＺでの面で１.６５mmから１.６８mmまでのビーム
の伸びを表わしている。この面に向けられたアパーチャ
はモード同期作動を安定化させずに不安定にさせる。こ
の予想される動作は実験により確認される。

【００６７】図１３は、図１０と１１に示す位置に設け
たスリットに対してモード同期した際のこの大きなビー
ム径の変化により示される差動損（アパーチャでの透
過）の計算を示す。計算は、ＸＺスリット・アパーチャ
幅対ＣＷのＸＺモードの直径比を０.９として実行され
た。この場合、アパーチャにより導かれた損は、低ピー
ク電力の７.２％から４５０キロワットの内部空洞ピー
ク電力での３.３％まで減少することが解る。

【００６８】超短パルス自己位相変調の時間進度および
伝搬 自己位相変調（ＳＰＭ）は、非線形媒体を伝搬光学フィ
ールドに生じる自己誘導位相シフトである。その大きさ
は下式により与えられる光学フィールドの位相を計算し
て求められる。

【式１７】 ここで、ｋ_０＝２π／λは波形ベクトルであり、Ｌは媒
体内の相互作用の長さであり、またＩは光学フィールド
と関連する強度である。下式により与えられる強度依存
非線形位相シフト_ＮＬはＳＰＭに依る。

【式１８】 ＳＰＭは、それが異常分散（負の群速度分散）をもたら
す構造体で生じる場合に、光学ソリトンの存在はもちろ
ん、超短パルスの分光拡張に起因する。

【００６９】ファイバー内で発生するＳＰＭのよく知ら
れたケースでは、相互作用長さを確定することは簡単で
あり、Ｌは単純にファイバーの長さになる。しかしなが
ら、ビームを自由に伝搬する場合、強度は回析によって
変化し、また自己誘導非線形位相の計算は伝搬距離に渡
って強度を積分することを必要とする。自由伝搬するビ
ームの場合、十分な位相シフトを達成するため一般に非
線形材料の長さをビームが収束されるスポット・サイズ
に適合させることが必要である。ガウス・ビームの場
合、それは下式で表わされる。

【式１９】 ここで、Ｐ_Ｐは光学ピーク電力であり、Ｚ_Ｒは非線形媒
体内のビームのレイリー範囲である。式(１９)より明ら
かなように、Ｌ／Ｚ_Ｒ＞２のとき、非線形位相の大きな
増加がないので、適合する十分な条件はＬ＝２ＷＺ_Ｒと
なる大きなＳＰＭ（１ラジアンのオーダー）を発生させ
るように、極めて高い電力または極めて高い非線形指数
が要求される。例えば、溶融シリカ（ｎ_２＝３.２×１
０^−１６cm^２／ｗ）の場合、１ラジアンの位相シフトを
誘導するために必要なピーク電力はＰ_Ｐ＝５４０キロワ
ットである。

【００７０】それらのピーク電力レベルは、固体レーザ
のパルス（振動）作動によって容易に達成することがで
きる。振動源の場合のＳＰＭの効果は時間依存の非線形
位相を誘導することである。時間依存屈折率を導入した
結果として、瞬時周波数もまた時間依存となり、チャー
プパルスとなる。このチャープは伝搬パルスの全帯域幅
を増加させる。適正な条件下で、増加帯域幅は、チャー
プを除去することによって短いパルスを達成するために
用いられる。正常ＳＰＭの場合、これは、負の群速度分
散（−ＧＶＤ）で媒体内にパルスを伝搬することにより
実行することができる。周知のパルス圧縮法は、必要な
異常（負の）群速度分散を提供するために格子対または
プリズム配列のいずれかを利用する。

【００７１】固体レーザでは、主要部分(ホスト)の非線
形屈折率は、しばしば溶融シリカの屈折率と類似する。
高電力パルス作動の場合、ピーク電力は数メガワットの
レベルに達し、また、能動媒体の長さはレイリー範囲よ
りも一般にかなり短く、大きなＳＰＭを確認することが
できる。実際に、それらの電力レベルで生じる性能およ
び材料に対して通常有害となる影響を最小にするように
共振器は努めて慎重に設計される。

【００７２】同様なピーク電力レベルは、モード同期さ
れたチタン・サファイア・レーザの超短パルス作動に関
して得ることができる。この場合、最大非線形位相シフ
トの条件は、ポンプおよび空洞ビームをが能動媒体の内
側で確実に集束しなければならないことを示す比較的高
いポンプ強度しきい値の結果により満たされる。

【００７３】時間ソリトン・パルス形成 一般に、レーザ空洞は、それが正味の正または負のＧＶ
Ｄ（あるいは、原則的にＧＶＤを完全にゼロにすること
ができる）のいずれかを含む方法で設計することができ
る。正味の負の群速度分散を有するレーザ空洞の場合は
特別である。この場合、ＳＰＭはソリトン状のパルス形
状となる。この動作は、ＳＰＭ（１ラジアンより極めて
低い）がエチレン・グリコールの飽和性吸収体の噴射に
より与えられるＣＰＭレーザについて予想されかつ確認
された。

【００７４】ソリトン・パルスが形成されることで、モ
ード同期レーザのパルス安定効果のみならず、パルス短
縮が生じ得る。ソリトン・パルス形状は、チタン・サフ
ァイア・レーザの安定した短い（１００×１０^−１５に
近い）パルス作動に起因するメカニズムである。図５の
実施例では、一対の高分散プリズム１３６と１３８は負
の群速度分散を与えるように空洞内に導入される。サフ
ァイア桿体は、作動波長において極めて高い正常群速度
分散（溶融シリカの約４倍高い）を有する。形成される
ソリトン状パルスを起こすために、両プリズムとレーザ
桿体の組合わせ作動から生じる正味のＧＶＤは負でなけ
ればならない。以下、より詳細に説明される第２条件
は、ラウンド・トリップ後のＳＰＭからの正味の帯域帯
増加がゼロでなければならないことである。

【００７５】光学ファイバで伝搬するソリトンに関し、
負のＧＶＤからのチャープは差動べースのＳＰＭからの
チャープに正確に平衡し、パルスは帯域幅を変調せずに
伝搬される。この正確な作用は多数の素子を含む光学構
造体の中で達成することができ、ソリトン状パルス形
成、または個別ソリトン形成と呼ばれることがある。個
別の時間ソリトンに関し、各種のプロセスは異なる材料
で生じ、またラウンド・トリップが完成してから、それ
らすべての変化の平衡は周波数におけると同様に時間に
おいても変調されないパルスを保たせなければならな
い。これが可能であるのは帯域幅のＳＰＭの効果がチャ
ープの符号に左右されるからである。正常なＳＰＭ（ｎ
_２＞Ｏ）はチャープが生じていないパルスまたは正のチ
ャープが生じたパルスのいずれに対しても増加させ、ま
た負にチャープされたパルスに対しては帯域幅を減少さ
せる。

【００７６】図５で説明された構成に関して、パルス
は、プリズム・シーケンスおよび正のチャープが出力カ
プラから戻った後にチタン・サファイア桿体に入る負の
チャープを持たなければならない。このように、パルス
の帯域幅は、出力カプラに向かう結晶を通る光路上で減
少され、帰還方向で通過する間に増加される。

【００７７】プリズム・シーケンス（あるいはどのよう
なＧＶＤ補償装置が利用されても）が空洞内の正味の負
のＧＶＤが減少されるように調節されるにつれて、パル
ス幅は変形が制限されながら減少し、また平均出力電力
も減少する。正味ＧＶＤがゼロに近づくと、パルス作用
は不安定になり、結局システムはモード同期を停止す
る。この作用はソリトン状パルス形成の強い兆候であ
る。

【００７８】均質媒体を通るパルス移動に関する非線形
伝搬方程式（非線形シュロディンガー方程式）は、パル
スの関数形状が双曲線セカントで与えられるならば、周
知の正確なソリトン解を有している。各正味ＧＶＤの値
に関して、パルス幅と、ソリトンのピーク電力の関数で
あるＳＰＭ量の間に定まった次の関係式がある。

【式２０】 ここで、｜β｜は、プリズム構成および非線形材料の特
性により確定されるＧＶＤに関するパラメータであり、
γはＳＰＭ非線形係数（ｎ２に比例する）であり、また
τはパルスのＦＷＨＭである。

【００７９】パルスが短ければ短いほどＳＰＭすなわち
ピーク電力は低くなる。パルスの幅および電力は結局そ
のパルス幅における動的損に対する飽和度により確定さ
れる。しかし、ピーク電力は、チタン・サファイアの場
合、８００キロワットオーダーである臨界電力によって
設定される制限を越えない、なぜなら、臨界電力以上で
は共振器損が著しく大きくなるからである。臨界電力に
において対応平均レーザ電力があまりに低すぎて損に対
する利得を飽和することができないと、レーザはパルス
を２重にしたり、ＣＷの陰影を発生させがちである。

【００８０】図１４は、出力電力プリズムのＳＦ１０を
通る光路長であるβに関するパラメータに対する図５に
示すレーザの平均のピーク出力電力を表わしている。ピ
ーク電力はチタン・サファイアの臨界電力である８００
キロワットを越えず、実際のレベルは約６２０キロワッ
トまで減っている。この場合、共振器からより高い平均
電力を抽出することが可能であるが、そうするために、
この共振器は約６００キロワットで出力カプラの透過率
を増加しかつポンプ電力を増加することにより性能を最
適化された。このことが内部空洞の電力を同じに保つよ
うになされる限り、パルス幅は変化せず、こうしてピー
ク電力も変化しない。この手法は、出力電力をかなり高
い比率で上げることができる。

【００８１】共振器内の適切な位置および方向に設けら
れたスリットは、自己集束と組合わされた高速飽和性吸
収作用を与え、ソリトン機構と調和するレベルで電力を
安定させる。このように、ＣＷ陰影のない安定したパル
スを得ることができる。

【００８２】このレーザは、初期調節の後に実質的に再
調整をすることなく極めて広範囲の波長（＞１００nm）
に渡って作動が行われた。これは従来技術を大幅に改善
する。

【００８３】モード同期作動の開始 前記の通り、モード同期動作を開始するために、伝搬ビ
ームの強度の短期変化が起こされなければならない。こ
の変化は、空洞長さの高速摂動を起こすことにより誘導
することができる。そのような変化は、複数の共振器ミ
ラーのうち１つの位置を変えることにより誘導すること
ができる。この方法はモード同期動作を開始させるが、
要求されるミラーの移動範囲および速度は配列の問題を
生じることがある。

【００８４】従って、光路長の変化は、レーザビーム路
に存在する光学素子を回転することにより好適に起こさ
れる。図１５は、この方法の最も基本的な変形を例示す
る。図１５において、共振空洞は端部ミラー２０２と２
０４により形成される。利得媒体２０６は空洞内に設け
られる。透過性光学素子２０８は空洞内に取り付けられ
る。損を最小化するために、このプレート(素子)２０８
はブルースター角に設けられるべきである。他の角度が
望まれるならば、適当な非反射コーティングを用いるこ
とができる。

【００８５】検流計（図示省略）のような装置を設けて
素子２０８を回転させ素子を通るビーム路長を変化され
る。路長を変化させることにより、振動空洞モードは、
ビーム強度に変動が起こるように固定波長依存の空洞損
に対して走査される。移動の速度および範囲は、単一空
洞モードによる利得の飽和を妨げるのに十分でなければ
ならない。この方法は、本明細書で説明される自己集束
レーザとは別の受動モード同期レーザのモード同期動作
を開始するために有用であると思われている。

【００８６】図１５に示す１つの透過性光学素子を回転
させることはモード同期動作の開始に必要な路長変化を
起こすには十分であるが、それはある欠点を有する。特
に詳しく言えば、素子が回転されるときに、ビーム位置
は変化し、従って、レーザの配列(整合)が変わることで
ある。従って、要素が回転されるときに、空洞内のビー
ムの配列(整合)を維持する組立体(アセンブリ)を設計す
ることが望ましい。

【００８７】そのような構成の１つは図１６に示される
が、この場合には１対の光学素子２１０と２１２が利用
されている。ここにおいて、２つの素子の向きは、ビー
ムがこれらの素子に同じ入射するように設けられる。休
止位置において、両素子は透過を最大にするためにブル
ースター角に設けられる。モード同期動作を開始するた
めに、両素子は同じ角度反対方向に同時に回転される。
この構成により、この対の素子から出たビームの位置は
変わらない。更に素子の角度変化率に対する路長の変化
は図１５に示す構成の２倍になる。

【００８８】図１７は、本発明の商業的に実施されるも
のを例示する。このレーザ装置は、ミラー１１８と空洞
の端部との間に挿入されている開始機構を有する図５で
示すものと事実上同じである。

【００８９】図１７の通り、２つの光学素子２３０と２
３２が利用されている。この実施例において、これらの
素子は連結され、連結軸と一直線上をなす１つの検流計
により駆動される。この構成は図５のものより安価であ
る。なぜなら１つの検流計のみを使用するからであり、
また、２つの独立した駆動装置が同じ振幅を有し、かつ
同期されることを確認する必要がないからである。

【００９０】両光学素子に入射する入射角を等しくさせ
るために、、角２３４が中間ミラー２３８におけるビー
ム入射角２３６の２倍となるように光学素子２３０と２
３２の向きを設定する必要がある。休止のとき、両素子
に対するビーム入射角はブルースター角である。組立体
が回転されると、光学素子２３０，２３２と、ミラー２
３８との間のビーム路長は変化するが、ミラー１１８と
フィルタ１２６に対するビームの配置は同じに保たれ
る。

【００９１】溶融シリカは透過性光学素子２３０と２３
２を形成するために使用することができる。しかし、溶
融シリカは９３５〜９６０nmの領域内に一連の吸収バン
ドを有する。従って、その領域内でのレーザの作動を望
まれるならば、ヘラウス・アメシル社（Heraeus-Amersi
l, Inc.）から入手できるインフラシル（Infrasil）の
ような、異なる材料を光学素子の形成に使用することが
できる。素子２３０と２３２は２つ片（ブロック）を互
いに連結したように見えるが、正しく切断されかつ研磨
された透過性材料の１つのブロックとしての組立体を形
成することができる。

【００９２】モード同期動作を開始するために、駆動信
号が検流計に送られる。好適な実施例において、発振周
波数は約５０ヘルツであり、組立体の構造的な共振に適
合するように選択されている。この構成により、検流計
で発生される運動範囲は供給された入力エネルギに対し
て最大となる。このように光学素子の回転は全路長を３
００ミクロン／ミリ秒程度変化させる。モード同期動作
は数ミリ秒内に誘導される。いったんモード同期動作が
開始されると、光学素子を循環ビームに対してブルース
ター角度に設定するように検流計は停止される。

【００９３】モード同期動作を開始するもう１つの方法
を図１８に示す。この方法は、１９９０年４月２４日出
願の係属中の米国特許出願第５１３,７９８号の中で説
明された手法に関連し、また参考として本明細書に採用
される。この出願において、マイケルスン干渉計構造体
がモード同期動作を開始維持させるために使用された。
この場合において、マイケルスン構造体はモード同期動
作を開始させることのみに使用され、その後は空洞から
除去される。

【００９４】図１８で見られる通り、透過性光学素子２
５０は、好ましくはルースター角でビーム路に設けられ
る。検流計（図示省略）は素子２５０の角位置を変化さ
せるために利用される。追加したミラー２５２は共振空
洞の外側に配置される。ミラー２５２はＰＺＴ駆動装置
２５４に取り付けられる。

【００９５】モード同期動作を開始させるために、検流
計は、ビームの一部が空洞の外に偏向され、その後にミ
ラー２５２により反射され空洞内に戻るように素子２５
０の角位置をシフトさせるために使用される。この追加
のブランチ光路は、素子２５０と端部ミラー１１４との
間に形成されたビーム路と組合わせられて、マイケルソ
ン干渉計構造体を形成する。ＰＺＴは、ミラー２５２の
位置を変え、このブランチ光路の路長を変化させるため
に使用される。

【００９６】ミラー２５２の位置を変えることは、循環
ビームの強度に変動が生じるようにレーザの利得曲線を
横切る損のウインドウを走査する機能を果たす。いった
んモード同期動作が誘導されると、検流計はブルースタ
ー角に光学素子を戻すように使用されるので、光はミラ
ー２５２に向けられずにマイケルスン構造体は空洞構成
から除去される。この時点で、ＰＺＴの駆動電圧は停止
される。

【００９７】図１５〜図１７の光学素子の動きとは異な
り素子２５０の速度または運動範囲が重要でないこと
は、注目すべきである。むしろ、制御されるべきことは
ミラー２５２の動きである。実験において、ミラー２５
２は５キロヘルツと１００キロヘルツの間の周波数で移
動されることが判明した。光路長の変化の範囲は発生さ
れている光の波長以下にすべきであり、その波長の半分
以下であることが望ましい。ミラーの移動により達成さ
れた光路長の変化はミラーの移動距離の２倍になるの
で、波長の1／4の移動距離は波長の1／2の光路長さ変化
に等しい。

【００９８】

【発明の効果】要するに、すべて固定受動モード同期レ
ーザ装置が提供された。このレーザ装置はその中に利得
媒体を有する共振器空洞を含む。透過性素子は空洞内に
設けられ、カー効果に基づく自己集束による強度に関す
るビームの２次元の横空間形状を変化させる材料で形成
される。共振器は、システムのラウンド・トリップ利得
がビームの強度に関して増加するように構成されるの
で、モード同期作用を達成することができる。１つの方
法において、空間形状の変化は、利得媒体からのエネル
ギの抽出を増加させるように使用される。もう１つの方
法において、強度の増加により生じる空間形状の変化
は、システム内の損を減少させるように使用されるの
で、パルス作動は促進される。例示された実施例におい
て、その中の利得媒体はチタン・サファイアで形成さ
れ、結晶の自己位相変調はパルスを１０^−１５秒の範囲
に圧縮するようにもまた使用される。更に、プリズムセ
ットを用いて群速度分散と利得結晶の自己位相変調を平
衡させ、安定したソリトン状の作動を達成することがで
きる。好適な実施例によると、モード同期動作は、ビー
ムの光路長を変化させるように空洞内に設置した透過性
光学素子を回転させることにより開始する。

【００９９】本発明の好適な実施例に関して説明した
が、各種の変形や変更は、当業者により、別記の特許請
求の範囲で定められた本発明の範囲および主旨から逸脱
せずに、その中で行われると思われる。

【図面の簡単な説明】

【図１】利得媒体が非線形材料として機能する本発明に
従って形成されたレーザの概略図。

【図２】非線形材料が個別の透過性素子である本発明に
従って形成されたレーザの概略図。

【図３】利得媒体が非線形材料として機能し、かつ、シ
ステムに対する損失を付加するようにアパーチャが使用
される本発明に従って形成されたレーザの概略図。

【図４】非線形材料が個別の透過性素子であり、システ
ムに対する損失を付加するようにアパーチャが使用され
る本発明に従って形成されたレーザの概略図。

【図５】チタン・サファイアで形成された利得媒体を有
する本発明に従って形成されたレーザの概略図。

【図６】各種ビームの横半径に対するチタン・サファイ
ア結晶内での位置を示すグラフ。

【図７】各種ビームの横半径に対するチタン・サファイ
ア結晶内での位置を示すグラフ。

【図８】各種ビームの横半径に対するチタン・サファイ
ア結晶内での位置を示すグラフ。

【図９】異なる共振器寸法のピーク電力に対する単一パ
ス利得を示すグラフ。

【図１０】低ピーク電力で共振器を通過するＣＷビーム
伝搬を示すグラフ。

【図１１】４５０ワットのピーク電力でモード同期され
たビーム伝搬を示すグラフ。

【図１２】ピーク電力の関数として共振器内の特定な位
置におけるモード直径の変化を示すグラフ。

【図１３】内部空洞の関数として図１０、１１で示す位
置に設置されたスリットによって生成された透過の変化
を示すグラフ。

【図１４】空洞プリズムを通過する光路長の関数として
の平均電力およびピーク電力を示すグラフ。

【図１５】ビームの通路長さを変化させてモード同期動
作を開始させる回転可能な内部空洞透過性光学素子の使
用を示す概略図。

【図１６】図１２に類似する図であり、かつモード同期
動作を開始させる１対の回転可能な素子の使用を示す概
略図。

【図１７】１対の透過性光学素子を使用してモード同期
動作を誘導する好適な機構の概略図。

【図１８】マイケルスン干渉計幾何学形状を有し、モー
ド同期動作を開始させる代替機構を示す概略図。

【符号の説明】

１０ レーザ・システム １２ ミラー １４ ミラー １６ 利得媒体 １８ レーザ ２０ 変動発生装置 ２２ 循環ビーム ２４ ポンプ・ビーム ３０ レーザ・システム ３２ ミラー ３４ ミラー ３６ 利得媒体 ３８ フラッシュランプ ４０ 変動発生装置 ４２ 光学素子 ４４ ミラー ４６ ミラー ５０ レーザ・システム ５２ ミラー ５４ ミラー ５６ 利得媒体 ５８ プレート ６０ アパーチャ ７０ レーザ・システム ７２ ミラー ７４ ミラー ７６ 利得媒体 ７８ 光学素子 ８０ ミラー ８２ ミラー ８４ プレート ８６ アパーチャ １１０ レーザ・システム １１２ ミラー １１４ ミラー １１６ ロッド １１８ ミラー １２０ ミラー １２２ レーザ １２４ レンズ １２６ フィルタ １２８ プレート １３０ アパーチャ １３６ プリズム １３８ プリズム ２０２ ミラー ２０４ ミラー ２０６ 利得媒体 ２０８ 光学素子 ２１０ 光学素子 ２１２ 光学素子 ２３０ 光学素子 ２３２ 光学素子 ２３４ 角度 ２３６ ビーム入射角 ２３８ ミラー ２５０ 光学素子 ２５２ ミラー ２５４ ＰＺＴ駆動装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ルイス・エイ・スピネリ アメリカ合衆国、94086 カリフォルニ ア州サニーベール、イースト・マッキン レー・アベニュー 545シー (72)発明者 ティモシー・ジョンストン アメリカ合衆国、94043 カリフォルニ ア州マウンテン・ビュー、ウエスト・ミ ドルフィールド 500、ナンバー 157 (56)参考文献 米国特許4268800（ＵＳ，Ａ) 国際公開88／681（ＷＯ，Ａ１) ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑ ｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓ，Ｖｏｌ．ＱＥ−13 Ｎｏ．11（Ｎｏ ｖｅｍｂｅｒ 1977）ｐｐ．915−924 Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏ ｌ．15 Ｎｏ．22（15 Ｎｏｖｅｍｂｅ ｒ 1990）ｐｐ．1300−1302 Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏ ｌ．15 Ｎｏ．７（１ Ａｐｒｉｌ 1990）ｐｐ．378−380 Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔ ｉｏｎｓ，Ｖｏｌ．63 Ｎｏ．３（Ａｕ ｇｕｓｔ 1987）ｐｐ．211−216 Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｌａｓ ｅｒｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐ ｔｉｃｓ（ＣＬＥＯ’90）Ｐｏｓｔ Ｄ ｅａｄｌｉｎｅ Ｐａｐｅｒｓ，（21− 25 Ｍａｙ 1990）ｐｐ．619−620 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 3/094 - 3/16 G02F 1/35

Claims (21)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 共振空洞（１１２，１１４）と、前記共
   振空洞（１１２，１１４）内に位置する自己集束手段
   （１１６）とを備える自己モード同期レーザ装置であっ
   て、 前記共振空洞内にアパーチャ（１３０）を設け、モード
   同期作動を達成する際に前記自己集束手段（１１６）に
   よって前記共振空洞（１１２，１１４）内で生じるレー
   ザビーム横空間形状の変化に応答して前記アパーチャを
   通ることによる損が減少するように前記アパーチャの位
   置と、形状と、大きさを設けた装置。
2. 【請求項２】 レーザビームの強度の増加に伴い生じる
   前記レーザビーム横空間形状の変化が前記装置の利得媒
   体から抽出するエネルギを増大させる機能をさらに果た
   すようにポンプ源（１２２）と前記共振空洞（１１２，
   １２０，１１３，１１４）を設けた請求項１に記載の装
   置。
3. 【請求項３】 前記自己集束手段は、レーザビームの強
   度に関して変化する屈折率を有する材料で形成された透
   過性素子（１１６）を有する請求項１に記載の装置。
4. 【請求項４】 前記透過性素子は利得媒体（１１６）で
   ある請求項３に記載の装置。
5. 【請求項５】 前記利得媒体（１１６）はチタン・サフ
   ァイアで形成されている請求項４に記載の装置。
6. 【請求項６】 前記透過性素子（７８）は前記利得媒体
   （７６）とは別個のものである請求項３に記載の装置。
7. 【請求項７】 前記透過性素子（７８）は前記共振空洞
   （７２，８０，８２，７４）の収束ブランチ（８０，８
   ２）内に設けられている請求項３に記載の装置。
8. 【請求項８】 請求項１に記載の装置であって、レーザ
   ビームの強度に初期変動を生じさせてモード同期を開始
   させる手段（２３０，２３２）を含んでなる装置。
9. 【請求項９】 前記レーザビームの強度に初期変動を起
   こす手段は、前記共振空洞の配列に高速摂動を誘導する
   手段を含んでなる請求項８に記載の装置。
10. 【請求項１０】 前記レーザビームの強度に初期変動を
    起こす手段（２３０，２３２）は、前記共振空洞の光路
    長に高速摂動を誘導する手段を含んでなる請求項８に記
    載の装置。
11. 【請求項１１】 前記光路長を変化させる手段は、前記
    共振空洞内の前記レーザビームの光路に設けた透過性光
    学素子（２５０）と、該透過性光学素子を回転させる手
    段とを含んでなる請求項１０に記載の装置。
12. 【請求項１２】 前記透過性光学素子（２５０）は、モ
    ード同期が開始した後にブルースター角にされる請求項
    １１に記載の装置。
13. 【請求項１３】 前記透過性光学素子（２５０）はＡＲ
    被覆されている請求項１１に記載の装置。
14. 【請求項１４】 請求項１１に記載の装置であって、前
    記回転手段によって駆動される第２の透過性光学素子
    （２３２）と、前記第１の透過性光学素子（２３０）を
    透過した前記レーザビームを前記第２の透過性光学素子
    （２３２）の方へ反射させて該第２の透過性光学素子
    （２３２）に透過させるように前記レーザビームの向き
    を操るミラーとを含んでなり、前記第２の透過性光学素
    子（２３２）は、前記レーザビームが両方の透過性光学
    素子（２３０，２３２）を同じ角度で透過するように選
    択された角度（２３４）でもって前記第１の透過性光学
    素子（２３０）に連結されている装置。
15. 【請求項１５】 前記第１及び第２の光学素子（２３
    ０，２３２）はモード同期が開始された後にブルースタ
    ー角に設けられる請求項１４に記載の装置。
16. 【請求項１６】 前記第１及び第２の光学素子（２３
    ０，２３２）の回転によって生じる光路長の変化は３０
    ０ミクロン／ミリ秒のオーダーである請求項１４に記載
    の装置。
17. 【請求項１７】 共振空洞（１１２，１１４）を備える
    自己モード同期レーザ装置を運転する方法であって、利
    得媒体をポンピングして前記共振空洞（１１２，１１
    ４）内にレーザビームを発生させ、かつ、自己集束機構
    を通る前記レーザビームの強度に対して前記レーザビー
    ムの横空間形状を変化させるステップを含み、さらに、
    前記共振空洞（１１２，１１４）内にアパーチャ（１３
    ０）を設け、モード同期作動を達成する際に自己集束に
    よって生じる前記レーザビームの横空間形状の変化に応
    答して前記アパーチャを通ることによる損が減少するよ
    うに前記アパーチャの大きさと形状を設けるステップを
    含んでなることを特徴とする方法。
18. 【請求項１８】 前記利得媒体から抽出するエネルギを
    増大するために、前記レーザビームの強度に伴って生じ
    る前記横空間形状の変化に対して前記利得媒体のポンピ
    ングを一致させるステップを含んでなる請求項１７に記
    載の方法。
19. 【請求項１９】 モード同期を開始するために前記レー
    ザビームの強度に初期変動を生じさせるステップを含ん
    でなる請求項１７又は１８に記載の方法。
20. 【請求項２０】 前記レーザビームの強度に初期変動を
    起こすステップは、前記共振空洞の配列に高速摂動を誘
    導することによってなされる請求項１９に記載の方法。
21. 【請求項２１】 前記レーザビームの強度に初期変動を
    起こすステップは、前記共振空洞の光路長に高速摂動を
    誘導することによってなされる請求項１９に記載の方
    法。