JP3424941B2 - パルス光源装置 - Google Patents

パルス光源装置

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JP3424941B2 JP07986692A JP7986692A JP3424941B2 JP 3424941 B2 JP3424941 B2 JP 3424941B2 JP 07986692 A JP07986692 A JP 07986692A JP 7986692 A JP7986692 A JP 7986692A JP 3424941 B2 JP3424941 B2 JP 3424941B2
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1123Q-switching
    • H01S3/113Q-switching using intracavity saturable absorbers

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  • Optics & Photonics (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、非線形の透過率又は反
射率を有する多層膜を備えるパルス光源装置に関する。
【0002】
【従来の技術】短パルス光を発生させる従来のパルス光
源装置として、受動モード同期のために可飽和吸収体を
用いたものが存在する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のパルス
光源装置では、可飽和吸収体として一般に色素をエチレ
ングリコール等に溶かしたものを用い、これをジェット
によって薄い膜状に噴射しているので、吸収体が飛散し
てしまうといった問題がある。
【0004】また、ジェットの微少な振動によって発振
の状態が不安定となるという問題もある。
【0005】さらに、経時変化によって色素の吸収特性
が劣化するため、この色素を定期的に交換する必要が生
じる。
【0006】そこで、本発明は、取扱が簡単で安定に動
作するパルス光源装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係るパルス光源装置は、(a)レーザ媒質
と、(b)レーザ媒質を励起するための励起手段と、
(c)レーザ媒質より放射される所定光路の光を共振さ
せる共振手段と、(d)屈折率が異なる2種以上の材料
を2層以上積層することによって構成されるとともに、
上記の所定光路上に配置された多層膜とを備える。ここ
に、多層膜を構成する少なくとも一種の材料は、入射光
の強度に依存して屈折率変化を生じる。また、多層膜
は、このような屈折率変化に対応して透過率又は反射率
が変化する。
【0008】
【作用】上記のパルス光源装置によれば、入射光の強度
に依存して、多層膜を構成する材料が屈折率変化を生じ
る。また、このような屈折率変化に対応して多層膜の透
過率又は反射率が増減する。すなわち、入射光の強度に
依存して多層膜の透過率又は反射率が変化することにな
り、これを利用すれば、可飽和色素による受動モード同
期と同様の原理によって、パルス幅が極度に狭いパルス
光を得ることができる。
【0009】
【実施例】図1は、第1実施例のパルス光源装置の構成
を示した図である。第1実施例のパルス光源装置の場
合、従来の受動モード同期レーザの吸収色素を所定構造
の多層膜に置き換えている。
【0010】具体的に説明すると、励起光源2からの励
起光はレーザ媒質4に照射される。この励起光によって
レーザ媒質4は励起される。励起されたレーザ媒質4内
から発生した所定波長の放射光は、一対の共振器ミラー
1 、M2 によってレーザ媒質4にフィードバックさ
れ、レーザ媒質4中の活性物質を誘導して誘導放出光を
発生させる。
【0011】この場合、レーザ媒質4と共振器ミラーM
2 とを結ぶ光路上には、この光路に対して直角から少し
傾いた多層膜6が配置されている。この多層膜6は、誘
電体多層膜ミラーと同様に、異なる2種の膜を交互に重
ねて積層した構造を有する。ただし、実施例の多層膜6
の場合、2種の膜の屈折率比が入射光の強度に依存して
変化する。このため、多層膜6にその強度が変化する光
が入射すると、多層膜6の透過率(又は反射率)が入射
光強度に依存して変わることとなる。例えば、入射光が
存在しない場合に2種の膜の一方の屈折率が他方の屈折
率より小さくなるとともに、入射光が存在する場合に屈
折率の低い膜の屈折率が他方の屈折率と同じになるよう
な光屈折率効果を有する材料を用いて多層膜6を設計す
る。かかる多層膜6では、光入射によって透過率が増加
する。
【0012】図1のパルス光源装置の動作について簡単
に説明する。励起されたレーザ媒質4からの放射光は、
共振器ミラーM1、M2間を往復しつつ、レーザ媒質4の
誘導放出によって増幅される。この場合、放射光の光路
上に前述の多層膜6が配置されているので、レーザー媒
質4からの放射光のうち、弱いものは反射されて、共振
器の光軸からずれるため損失となり、放射光強度が強く
なるにつれて多層膜の透過率が大きくなり、レーザー発
振に寄与するようになる。この結果共振器内で光パルス
狭窄化が自動的におこり、取り出された放射光は極めて
短いパルスとなっている。
【0013】以下では、多層膜6の具体的設計について
簡単に説明する。
【0014】光強度に依存して屈折率が変化する光屈折
率効果は、3次の非線形感受率χ(3) に依存する。ま
た、媒質の屈折率nは、 n=n0 +n2 I で表される。ここで、n0 は光強度に依存しない屈折率
の項で、n2 は、光強度Iに比例して媒質の屈折率を変
化させる項の定数を表す。
【0015】ここで、n2 を上記のχ(3) で表すと、 n2 ( cm2 /W) =16π2 ・χ(3) (esu) ÷c・n2 ×107 …(1) となる。ここで、cは光速(3×1010cm/s)を表す。
式(1)からも明らかなように、大きなχ(3) を有する
媒質を用いることにより、多層膜6のの透過率(又は反
射率)を大きく変化させることができる。
【0016】χ(3) の大きな媒質として、有機薄膜の例
を示すと、 ポリジアセチレン(PDA):850×10-12 (esu) ポリアセチレン :400×10-12 (esu) である。その他、主な有機薄膜のχ(3) については、文
献「パリティ Vol.04 No.12 1989-12」に詳しい。式
(1)に従ってn2 を計算すると、n0 =1.5とし
て、ポリジアセチレン(PDA)では、 n2 =16π2 ・850×1012÷3×1010÷1.52 ×107 =2.0×104-12+7-10 =2.0×10-11 ( cm2 /W) となり、ポリアセチレンでは、 n2 =9.4×10-12 ( cm2 /W) となる。
【0017】これらの媒質に、平均光強度が100mW
で、繰り返しが100MHzで、パルス幅が1psの光
パルスを媒質に入射させた場合の屈折率変化を考えてみ
る。入射光のピークパワーは、 100(mW)×10-8(sec) ÷10-12 (sec) =1kW となる。これを多層膜に入射する段階で、レンズを用い
て集光しパワー密度を大きくした方が効果的である(図
2参照)。例えば10μmφに集光すると、PDAの屈
折率変化はn2 Iで表され、 n2 I=2.0×10-11 ( cm2 /W) ×103 (W) ÷{(5×10-42 ×π( cm2 ) } =2.0×10-11 ×103 ÷{78.5×10-8} =2.5×10-2 となる。即ち、PDAを一方の膜材料として用いた場
合、上記条件の光が入射すると2.5×10-2程度の屈
折率変化を生じさせることが可能となることを示してい
る。
【0018】このようなPDAの屈折率を1.5とし、
他方の膜材料の屈折率を1.525として、膜数2N=
400の多層膜を作った場合について考察する。
【0019】図3は、多層膜の構造を示した図である。
ここで、多層膜への入射光の波長がλで、屈折率n2
膜の光学的厚みがn2 2 =λ/4で、屈折率n3 の膜
の光学的厚みがn3 3 =λ/4であるとすると、図示
の多層膜の反射率及び透過率は、
【0020】
【数1】
【0021】
【数2】
【0022】で表される。ここで、n1=ne=1とし、
2=1.525とし、n3=1.500とする。なお、
3は、光入射によって屈折率が大きくなりn2に近づく
ものとする。
【0023】図4は、図3の多層膜の反射特性を示した
グラフで、n3 の値をパラメータとしている。グラフか
ら明らかなように、このような多層膜を図1のパルス光
源装置に利用し、点A〜点Bの領域で動作させれば、多
層膜に入射する光強度が強くなるに従ってその透過率が
大きくなる。即ち、かかる多層膜は、入射光強度の増加
にともなって損失が小さくなる媒質と同様に用いること
ができるため、受動モード同期で利用されている可飽和
吸収色素と同様の使用が可能で、レーザのパルス発振に
有効な素子となっていると考えられる。
【0024】なお、多層膜の材料として半導体ドープガ
ラスを用いることもできる。半導体ドープガラスは、1
-2〜10-3(esu) 程度のχ(3) を有するため、これら
の材質を多層膜化すれば、膜に入射する光密度をもっと
下げることができ、また積層する膜数を減らすこともで
きる。
【0025】多層膜の材料として、有機材料、半導体ド
ープガラス等を使用する場合、χ(3) の緩和時間も問題
となる。即ち、χ(3) の緩和時間の速い材料を用いた方
がより短いパルスの発振には有効となる。
【0026】図5は、第2実施例のパルス光源装置の構
成を示した図である。第2実施例のパルス光源装置は、
リング型の共振器構造となっている。リング型の共振器
は、3個の共振器ミラーM1 、M2 、M3 によって構成
される。励起光源2、レーザ媒質4等は、第1実施例と
同一のものを使用する。本発明の多層膜とレーザー媒質
の距離は、レーザー共振器長の1/4とするのが望まし
い。
【0027】図6は、第3実施例のパルス光源装置の構
成を示した図である。第3実施例のパルス光源装置で
は、多層膜が共振器ミラーの一方を兼ねる。励起光源
2、レーザ媒質4、多層膜6等は、第1実施例と同一の
ものを使用する。
【0028】一対の共振器ミラーは、多層膜M4 と出力
ミラーM5 とによって構成される。多層膜M4 は、第1
実施例の場合と同様に、2種の膜を交互に積層したもの
で、これらの屈折率比が入射光の強度に依存して変化す
る。ただし、多層膜M4 の場合、入射光が存在しないと
2種の膜の屈折率がほぼ等しくなり、入射光が存在する
と一方の膜の屈折率が大きく変化する。この結果、多層
膜M4 は、弱い入射光に対して反射率が低くなって反射
損失が増大し、強い入射光に対して反射率が高くなって
反射損失が減少する。多層膜M4 の反射率の特性を利用
すれば、レーザ媒質4からの強い出射光のみを発振させ
ることができ、パルスレーザとしての動作が可能にな
る。
【0029】本発明は、上記実施例に限定されるもので
はない。例えば、第3実施例において、多層膜をレーザ
媒質に直接蒸着した構造とすることができる。
【0030】また、目的とするパルス光の繰返し周期に
同期させて、レーザ媒質に励起光を照射してもよい。
【0031】さらに、レーザ媒質として、従来公知の各
種の媒質を用いることができる。
【0032】さらに、CWレーザ発振後パルス発振へ移
行するために、共振状態を僅かに変える機構(例えば、
モードロッカー、ガルバノミラー等)を有してもよい。
【0033】屈折率をランダムに変えて積層してできた
ミラーを用い、それぞれの膜が光の入射によって屈折率
変化を生じて反射率が変わるものを本発明に用いること
ができる。
【0034】
【発明の効果】以上説明したように本発明のパルス光源
装置によれば、入射光の強度に依存して多層膜の透過率
又は反射率が変動する。これを利用すれば、可飽和色素
による受動モード同期と同様の原理によって、パルス幅
が極度に狭いパルス光を得ることができる。しかも、多
層膜を用いて受動モード同期を行っているので、簡易か
つ安定にパルス光を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施例のパルス光源装置の構成を示した
図。
【図2】多層膜への集光方法を説明した図。
【図3】多層膜の構造を説明した図。
【図4】多層膜の反射特性を示した図。
【図5】第2実施例のパルス光源装置の構成を示した
図。
【図6】第3実施例のパルス光源装置の構成を示した
図。
【符号の説明】
2…励起手段、4…レーザ媒質、6…多層膜、M1 、M
2 …共振手段。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−229674(JP,A) 特開 平1−112788(JP,A) 特開 昭63−306681(JP,A) 米国特許5007059(US,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 3/00 - 3/30

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザ媒質と、前記レーザ媒質を励起す
    るための励起手段と、前記レーザ媒質より放射される所
    定光路の光を共振させる共振手段と、屈折率が異なる2
    種以上の材料を2層以上積層することによって構成され
    るとともに、前記所定光路上に配置された多層膜とを備
    え、 前記多層膜を構成する少なくとも一種の材料は、入射光
    の強度に依存して屈折率変化を生じ、 前記多層膜は、この屈折率変化に対応して透過率又は反
    射率が変化することを特徴とするパルス光源装置。
  2. 【請求項2】 前記共振手段は、複数の共振器ミラーを
    備え、該共振器ミラーのうち少なくとも一つの共振器ミ
    ラーは、前記多層膜を兼ねることを特徴とする請求項1
    記載のパルス光源装置。
  3. 【請求項3】 前記励起手段は、所望のパルス周期に同
    期して前記レーザ媒質を励起することを特徴とする請求
    項1記載のパルス光源装置。
  4. 【請求項4】 前記共振手段は、さらに可飽和吸収体を
    備えることを特徴とする請求項1記載のパルス光源装
    置。
  5. 【請求項5】 前記多層膜は、前記レーザ媒質の入射面
    又は出射面に蒸着されていることを特徴とする請求項1
    記載のパルス光源装置。
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EP0564262A1 (en) 1993-10-06
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