JP4106443B2 - 広帯域モード同期レーザー発振器及び発振方法 - Google Patents

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Description

本発明は、急峻な蛍光ピークを持つレーザー媒質における広帯域モード同期レーザー発振器及び発振方法に関するものである。
超短光パルスを発生させるためには、一般的にモード同期が用いられる。モード同期は、レーザー共振器内の利得・損失を外部から音響光学素子（AOM）等を使って時間変調させる能動モード同期の方法（図１、A or B）と、半導体過飽和吸収鏡（SESAM）やレーザー媒質（CR）のカーレンズ効果等を用いて利得・損失を自動的に時間変調させる受動モード同期の方法（図２、(C or D) and (E or F)）に大きく分けられる（ここで、Ａ〜Ｆは、図１及び図２において点線矩形で示した各構成に対応している。構成Ａ又はＢ、Ｃ又はＤ、Ｅ又はＦはそれぞれその一方が選択的に用いられる。）。カーレンズ効果を用いた方法は、特にカーレンズモード同期と呼ばれている。尚、図１において、Ａは、チャープミラー（CM1 and CM2）を用いて共振器内の分散補償の機能を果たすスキームであり、またＢは、プリズム対（P1 and P2）を用いて共振器内の分散補償の機能を果たすスキームである。
図１は能動モード同期レーザーの一般的な配置図であり、端面鏡（HR）、２つ凹面鏡（R1 and R2）及び出力鏡（OC）で共振器を構成している。半導体レーザー（LD）の出力をレンズ（L）を 通してR1からCRに集光し共振器内に利得媒質を作ってレーザー発振を実現させている。モード同期レーザー装置全体をレーザー発振器と呼ぶ。音響光学素子（AOM）等を使って共振器内ビームを能動的に時間変調させ、共振器内分散をチャープミラー（CM1 and CM2）またはプリズム対（P1 and P2）でうまく補償してやることにより、出力鏡（OC）から等時間間隔のモード同期パルス列を得る事が出来る。
図２は受動モード同期レーザーの一般的な配置図である。能動モード同期レーザーと同様な共振器構成となっているが、半導体過飽和吸収鏡SESAM等の受動素子を入れたり（D and (E or F)）、カーレンズモード同期の場合（C and (E or F)）には端面鏡CM3の近くにスリットSLを置いて損失を自動的に時間変調している。双方ともピークパワーが高い時に損失が小さくなるように設計されているのでパルス列は段々成長し、使用している鏡の帯域や共振器内分散補償の程度に応じたパルス幅まで狭くなる。そのパルス列の一部を、出力鏡（CM4 or OC）から取り出している。
フェムト秒レーザー媒質として一般的にTi:sapphireが用いられているが、その蛍光曲線と比較して滑らかではなく、しかもより急峻な蛍光ピークを持つレーザー媒質として、例えばYb（Ytterbium）がドープされた媒質、特に顕著な例としてYb:YAG（Ytterbium-doped Yttrium Aluminum Garnet）が挙げられる。ここで「急峻な蛍光ピーク」とは、蛍光ピークの半値全幅と中心波長の比が、0.05程度またはそれ以下のものを指す。図３の点線は、Yb:YAGの蛍光曲線を示したものであり（縦軸は右側を読む）、波長1030nmのところに急峻な蛍光ピークを持っている。
Yb:YAGの様に急峻な蛍光ピークを持ったレーザー媒質を、図１や図２の中のCRとして用いて能動モード同期や受動モード同期を行った場合、高利得な波長域が一カ所に集中しているため、広帯域なモード同期レーザー発振が非常に困難であった。また、スペクトル幅が広がらずパルス幅が短くならないため、パルスのピークパワーが小さく、カーレンズモード同期をかけるのが非常に困難であった。
それ故、例えばYb:YAGにおいては、主にスペクトルが蛍光ピークに限定された狭帯域なレーザー発振が、カーレンズモード同期を除くモード同期法により行われてきた。そのパルス幅は数百フェムト秒程度に限定されており、例えばSESAMを用いたYb:YAG受動モード同期レーザーの場合、最短パルス幅は340fsであった。
高出力モード同期レーザーの開発には熱的性質の良い母材の使用が望ましく、それ故、レーザー媒質の蛍光曲線に左右されない広帯域モード同期法の開発が今後急務となって来ている。
従来、急峻な蛍光ピークを持つレーザー媒質（例えば、Yb:YAG）においてモード同期をかけた場合、蛍光ピークにおける利得が他の波長域に比べて非常に大きいため、モード同期レーザースペクトルがそのピーク付近に限定され、それ故パルス幅も大幅に制限されていた。
そこで、本発明は、係る問題点を解決して、レーザー加工用等の高出力モード同期レーザー発振器を製作するにあたり、数多くの種類のレーザー媒質の中から高出力レーザーに最適な媒質を選択して、急峻な蛍光ピークを持つ狭帯域レーザー媒質でも広帯域なモード同期を可能にして、パルス幅をより短くすることを目的としている。
本発明は、急峻な蛍光ピークを持つレーザー媒質において広帯域なモード同期発振を行うために、共振器鏡の反射率を制御して利得を平均化する事を最も主要な特徴とする。これによって、使用しているレーザー媒質の蛍光波長依存曲線の急峻なピークにおいて、それを打ち消すように共振器鏡に反射ロスを作り利得を平均化して広帯域なモード同期発振を行うことが可能となる。
そこで、本発明の広帯域モード同期レーザー発振器は、急峻な蛍光ピークを持つレーザー媒質を用いたレーザー発振器において、共振器鏡の蛍光ピーク波長における反射率を下げて利得を平均化し、広帯域なモード同期を達成する。
この共振器鏡の利得の平均化は、共振器鏡を構成するミラーの少なくとも１つの蒸着多層膜の膜厚を変化させることにより行う。共振器を構成するチャープミラーが、共振器内の分散補償と共に、利得の平均化を行う。
利得の平均化を行う共振器鏡とは別に、分散補償をプリズム対で行うことができる。また、利得の平均化は、共振器内に蛍光ピーク波長で若干吸収のあるスペクトル・フィルターを挿入したり、或いはプリズム対の分散領域の蛍光ピーク波長の位置に若干吸収のある空間フィルターを挿入することにより行い、かつ、分散補償をプリズム対またはチャープミラーで行う。
前記モード同期は、レーザー共振器内の利得・損失を外部から音響光学素子等を使って時間変調させる能動モード同期、或いは半導体過飽和吸収鏡やレーザー媒質のカーレンズ効果等を用いて利得・損失を自動的に時間変調させる受動モード同期によるものである。
また本発明の広帯域モード同期レーザー発振方法は、急峻な蛍光ピークを持つレーザー媒質を用いたレーザー発振器のレーザー発振方法において、共振器鏡の蛍光ピーク波長における反射率を下げて利得を平均化し、広帯域なモード同期を達成する。
本発明によると、急峻な蛍光ピークを持つ狭帯域レーザー媒質でも広帯域なモード同期ができるようになるので、レーザー加工用等の高出力モード同期レーザー発振器を製作するにあたり、数多くの種類のレーザー媒質の中から高出力レーザーに最適な媒質を選ぶ事が出来るようになり、更にパルス幅もより短くする事が可能となる。
以下、例示に基づき本発明を説明する。本発明の第１の実施の形態を、図２（C + E）に示すカーレンズモード同期Yb:YAGレーザー発振器に適用した場合について説明する。図示のレーザー共振器は、２つの凹面鏡（R1、R2）と４つのチャープミラー（CM1〜CM4）及びレーザー媒質（CR）から構成される。ここで、光を空間的に閉じ込めておく機能を果たすR1、R2、CM1〜CM4を共振器鏡と呼ぶ。CM1〜CM4で共振器内の分散を補償している。半導体レーザー（LD）の出力をレンズ（L）を通してR1からレーザー媒質Yb:YAG（CR）に集光し、レーザー共振器内に利得媒質を作り、レーザー発振を実現している。
チャープミラー（CM1〜CM4）は、２種類の誘電体物質（TiO2とSiO2）の多層膜をガラス基板に蒸着したものであり、負の郡遅延分散を持つ様に多層膜の膜厚を制御してある。誘電体多層膜の膜厚の設計においては、Yb:YAGの蛍光ピーク波長（1030nm）における反射率を少し下げる様に目標値を更に設定してフィッティングをやり直し、郡速度分散を余り変えずに反射率を若干変化させるようにした。実際の製作においては、膜厚を１オングストローム程度に制御しながら蒸着を行っている。反射率を下げる鏡はチャープミラー（CM1〜CM4）全部にする必要はなく、どれか１つ、または数個において反射率を減少させて利得を平均化することも可能である。
ここでは共振器内の分散補償と反射率減少による利得の平均化をチャープミラーでまとめて行っているが、それぞれの別々の部品に役割を担わせても可能である。例えば、一般的に用いられている超短パルスレーザー用の誘電体多層膜鏡の膜厚を少しだけ変えても、分散の性質をあまり変えずに、蛍光ピーク波長で若干反射率を減少させた鏡は簡単に作ることはできるので、それを共振器鏡に用い、分散補償をプリズム対で行うことでも達成できる。また、共振器鏡には超短パルスレーザーで一般的に用いられているものを用い、利得の平均化は、蛍光ピーク波長で若干吸収のあるスペクトル・フィルター（Spectral Filter）を共振器内に挿入したり、プリズム対の分散領域（図２のP2とOCの間）に空間的に一部だけ吸収のある空間フィルター（Spatial Filter）を挿入したりして実現し、かつ、分散補償をプリズム対またはチャープミラーで行うことによっても達成できる。
図３の実線は、実際に製作したチャープミラー（CM1〜CM4）の反射率を表したものである（縦軸は左側を読む）。点線はYb:YAGの蛍光曲線である（縦軸は右側を読む）。Yb:YAGの蛍光曲線のピーク付近にチャープミラーの反射ロスができており、レーザー全体の利得が平均化する様になっている。
チャープミラーCM3の近くにスリットSLを置き、共振器の端面鏡となっているチャープミラーCM3またはCM4を振動させる事により、共振器内のビームに擾乱を与え、レーザー媒質中で起こるカーレンズ効果により共振器内モード径を変化させ、SLにより共振器内損失を自動的に時間変調している。ピークパワーが高い時に損失が小さくなるようにSLの位置を設定しているので、パルス列は段々と成長し、使用している鏡の帯域や共振器内分散補償の程度に応じたパルス幅まで短パルス化して行く。そのパルス列の一部を、チャープミラーCM4によって構成した出力鏡から取り出している。
図４はカーレンズモード同期Yb:YAGレーザーのスペクトルを表したものであり、実線A、１点鎖線B、及び点線Cは、それぞれ共振器内１往復当たりのチャープミラーの反射回数が１４回、１８回、及び２２回の時のものである。この反射回数は、図中のチャープミラー（CM1 or CM2）の傾きを変えて、CM1とCM2のそれぞれの反射点の数を３個、４個、及び５個と設定した時のものである。チャープミラーの反射回数を２２から１４に変えていくとモード同期レーザーのスペクトル幅が段々広がり、最後には 30 nm (FWHM)となった。反射回数が１０回の時にはカーレンズモード同期がうまく掛からなかった。この実験での望ましい反射回数は１４回であり、その時のパルス幅は、フーリエ限界sechパルスを仮定すると38 fsに相当している。急峻な蛍光ピークを持つレーザー媒質Yb:YAGにおいて、本方法を用いる事により広帯域モード同期を達成した。
次に、本発明の第２の実施の形態を、図２（D + E）に示すSESAMを使った受動モード同期Yb:YAGレーザー発振器に適用した場合について説明する。共振器の片端面鏡を凹面鏡（R3）に置き換え、SESAMに集光して受動モード同期の方法によりレーザー発振を行った。ここで、R1〜R3、CM1〜CM2、CM4及びSESAMを共振器鏡と呼ぶ。チャープミラーCM1、CM2、及びCM4は、２種類の誘電体物質（TiO2とSiO2）の多層膜をガラス基板に蒸着したものであり、共振器内の分散を補償するため負の郡遅延分散を持つ様に多層膜の膜厚を制御してある。誘電体多層膜の膜厚の設計においては、Yb:YAGの蛍光ピーク波長（1030nm）における反射率を少し下げる様に目標値を更に設定してフィッティングをやり直し、郡速度分散を余り変えずに反射率を若干変化させるようにした。実際の製作においては、膜厚を１オングストローム程度に制御しながら蒸着を行っている。反射率を下げる鏡はチャープミラー全部にする必要はなく、１つまたは２個において反射率を減少させて利得を平均化することも可能である。図３の実線は、実際に製作したチャープミラーの反射率を表したものであり（縦軸は左側を読む）、点線はYb:YAGの蛍光曲線である（縦軸は右側を読む）。Yb:YAGの蛍光曲線のピーク付近にチャープミラーの反射ロスができており、レーザー全体の利得が平均化する様になっている。
ここでは共振器内の分散補償と反射率減少による利得の平均化をチャープミラーでまとめて行っているが、それぞれの別々の部品に役割を担わせても可能である。例えば、一般的に用いられている超短パルスレーザー用の誘電体多層膜鏡の膜厚を少しだけ変えても、分散の性質をあまり変えずに、蛍光ピーク波長で若干反射率を減少させた鏡は簡単に作ることはできるので、それを共振器鏡に用い、分散補償をプリズム対で行うことでも達成できる。また、共振器鏡には超短パルスレーザーで一般的に用いられているものを用い、利得の平均化は、蛍光ピーク波長で若干吸収のあるスペクトル・フィルターを共振器内に挿入したり、プリズム対の分散領域（図２のP2とOCの間）に空間的に一部だけ吸収のある空間フィルターを挿入したりして実現し、かつ、分散補償をプリズム対またはチャープミラーで行うことによっても達成できる。
図５はSESAMを用いた受動モード同期レーザーのスペクトルであり、スペクトル幅は9.2nm、フーリエ限界sechパルスを仮定するとパルス幅は 126fsに相当している。本方法を用いる事により、一般的な狭帯域受動モード同期よりも更にパルス幅を短くする事が出来た。
次に、本発明の第３の実施の形態を、図１（A）に示すAOMを使った能動モード同期Yb:YAGレーザー発振器に適用した場合について説明する。ここで、R1〜R2、CM1〜CM2、HR及びOCを共振器鏡と呼ぶ。チャープミラーCM1とCM2は、２種類の誘電体物質（TiO2とSiO2）の多層膜をガラス基板に蒸着したものであり、共振器内の分散を補償するため負の郡遅延分散を持つ様に多層膜の膜厚を制御してある。誘電体多層膜の膜厚の設計においては、Yb:YAGの蛍光ピーク波長（1030nm）における反射率を少し下げる様に目標値を更に設定してフィッティングをやり直し、郡速度分散を余り変えずに反射率を若干変化させるようにした。実際の製作においては、膜厚を１オングストローム程度に制御しながら蒸着を行っている。反射率を下げる鏡はチャープミラー全部にする必要はなく、どれか１つにおいて反射率を減少させて利得を平均化することも可能である。図３の実線は、実際に製作したチャープミラーの反射率を表したものであり（縦軸は左側を読む）。点線はYb:YAGの蛍光曲線である（縦軸は右側を読む）。Yb:YAGの蛍光曲線のピーク付近にチャープミラーの反射ロスができており、レーザー全体の利得が平均化する様になっている。
ここでは共振器内の分散補償と反射率減少による利得の平均化をチャープミラーでまとめて行っているが、それぞれの別々の部品に役割を担わせても可能である。例えば、一般的に用いられている超短パルスレーザー用の誘電体多層膜鏡の膜厚を少しだけ変えても、分散の性質をあまり変えずに、蛍光ピーク波長で若干反射率を減少させた鏡は簡単に作ることはできるので、それを共振器鏡に用い、分散補償をプリズム対で行うことでも達成できる。また、共振器鏡には超短パルスレーザーで一般的に用いられているものを用い、利得の平均化は、蛍光ピーク波長で若干吸収のあるスペクトル・フィルターを共振器内に挿入したり、プリズム対の分散領域（図２のP2とOCの間）に空間的に一部だけ吸収のある空間フィルターを挿入したりして実現し、かつ、分散補償をプリズム対またはチャープミラーで行うことによっても達成できる。
能動モード同期レーザーにおいても、レーザー全体の利得が平均化する本方法により広帯域なモード同期レーザー発振が期待できる。
能動モード同期レーザーの一般的な配置図である。 受動モード同期レーザーの一般的な配置図である。 図３は、点線で、Yb:YAGの蛍光曲線を示し、かつ実線で、実際に製作したチャープミラー（CM1〜CM4）の反射率を表したグラフである。 カーレンズモード同期Yb:YAGレーザーのスペクトルを表したグラフである。 SESAMを用いた受動モード同期レーザーのスペクトルを示すグラフである。

Claims (7)

  1. 急峻な蛍光ピークを持つレーザー媒質を用いたレーザー発振器において、共振器鏡の蛍光ピーク波長における反射率を下げることにより利得を平均化し、レーザー媒質の蛍光波長帯域における反射率の波長依存性がない共振器鏡を用いた場合に比べて、レーザー発振器出力光の波長帯域幅が広くなるように、共振器鏡の反射率の波長依存特性を設定して広帯域なモード同期を達成することから成る広帯域モード同期レーザー発振器。
  2. 前記共振器鏡の利得の平均化は、共振器鏡を構成するミラーの少なくとも１つの蒸着多層膜の膜厚を変化させることにより行う請求項１に記載の広帯域モード同期レーザー発振器。
  3. 共振器を構成するチャープミラーが、共振器内の分散補償と共に、前記利得の平均化を行う請求項１に記載の広帯域モード同期レーザー発振器。
  4. 前記利得の平均化を行う前記共振器鏡とは別に、分散補償をプリズム対で行う請求項１に記載の広帯域モード同期レーザー発振器。
  5. 前記利得の平均化は、前記共振器鏡とは別に、共振器内に蛍光ピーク波長で若干吸収のあるスペクトル・フィルターを挿入したり、或いはプリズム対の分散領域の蛍光ピーク波長の位置に若干吸収のある空間フィルターを挿入することにより行い、かつ、分散補償をプリズム対またはチャープミラーで行う請求項１に記載の広帯域モード同期レーザー発振器。
  6. 前記モード同期が、レーザー共振器内の利得・損失を外部から音響光学素子等を使って時間変調させる能動モード同期、或いは半導体過飽和吸収鏡やレーザー媒質のカーレンズ効果等を用いて利得・損失を自動的に時間変調させる受動モード同期によるものである請求項１に記載の広帯域モード同期レーザー発振器。
  7. 急峻な蛍光ピークを持つレーザー媒質を用いたレーザー発振器のレーザー発振方法において、共振器鏡の蛍光ピーク波長における反射率を下げることにより利得を平均化し、レーザー媒質の蛍光波長帯域における反射率の波長依存性がない共振器鏡を用いた場合に比べて、レーザー発振器出力光の波長帯域幅が広くなるように、共振器鏡の反射率の波長依存特性を設定して広帯域なモード同期を達成することから成る広帯域モード同期レーザー発振方法。
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