JP4490015B2 - 短パルスレーザ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、ポンプされるレーザ結晶を含むポンプユニットを有する短パルスレーザ装置に関し、より詳しくは受動モード同期手段を有する短パルスレーザ装置に関する。
【０００２】
そのようなレーザ装置は、特にパルスの短いレーザ装置として提供され、そこでは高エネルギーを有する短いレーザのパルスはモード同期の状態で生成される。これらのパルスの短いレーザ装置は、高精度の材料加工や科学的な業務に都合良く用いられている。短いレーザパルスの生成に関しては、例えばＡ・スティングル他「プリズムを用いないチタン：サファイアレーザからの１１−ｆｓパルスの生成」オプティックスレターズ１９巻３号１９９４年２月１日、ｐ２０４−２０６と同様に、ＷＯ９８／１０４９４Ａのような参考文献がある。
【０００３】
高エネルギーを有する短いレーザパルスの発生の標準的な技術は、レーザ発振器とレーザアンプの技術に基づいている。レーザ発振器は、例えば数十ＭＨｚの範囲の繰返し周波数を有する、低いエネルギーの短いレーザパルス列を生成する。これらの発振パルスから、より低い繰返し周波数のパルスが選択され、高エネルギーのパルスを得るために、再生アンプまたはいわゆるマルチパスアンプで増幅する。
【０００４】
オールインワンのコンセプトが好適に使用されている。そこでは、一方ではパルスの（低エネルギーでの）発生と、他方では別の時点に（高エネルギーへの）増幅を単に実行することにより、一つのレーザが同時に発振器および再生増幅器として用いられる。この種の既に知られたレーザ装置（例えばＬ・チューリ、Ｔ・ユハス「ダイオードポンプＮｄ：ＹＬＦ一体型レーザ」、オプティックスレターズ、２０巻第１４号１９９５年７月１５日、ｐ１５４１−１５４３参照）は、発振機能と増幅機能の双方のためのレーザからなり、音響光学的変調器で能動モード同期を用いている。能動モード同期はそれほど効率的ではないので、得られる最少のパルス持続時間は比較的長く、さらに信頼性よく長時間の動作を行わせるためには、時間制御と安定化のためにそれぞれ複雑な電子回路を必要とする。
【０００５】
他方、レーザ装置では、先に言及した文献ＷＯ９８／１０４９４Ａにより、受動モード同期を特に可飽和アブソーバーと共に設計することが一般的に知られている。可能な受動モード同期の他の方法には、例えばカー効果（いわゆるカーレンズモードロッキング、ＫＬＭ）の利用、非線形ミラー（非線形ミラーモード同期、ＮＬＭ）の使用、光学結晶内の非直線偏光回転アプリケーションまたは二次のオーダーのカスケード化された非線形処理がある。
【０００６】
本発明の目的は、受動モード同期を用いた場合に、レーザのオールインワン構成を可能にする最初に規定した形式のレーザ装置を提供することであり、それによって受動モード同期が能動モード同期より強い強度の変調をもたらし、ピコまたはフェムト秒の範囲の安定な短いパルスを生成することができる利点、即ち使用されるレーザ材料の有限な増幅能力により与えられる可能な下限値に近いパルスの持続時間を有するという利点がえられる。ここで、可飽和アブソーバーのような受動モード同期デバイスが、それらの低い破壊閾値によって、エネルギーの上昇に上限値を与え、さらにアブソーバーの過大な飽和により不安定性がもたらされるという問題点は、解決されていなければならない。本発明は、異なる時点に動作する二つの異なる副共振器に共振器を分割するというアイデアに基づいている。そして、副共振器は、異なる作業、即ち一方は低いパワーレベルに対応する高い共振損失を有する受動モード同期を用いたパルスの生成、他方は高いパルスエネルギーへの増幅を行う。
【０００７】
最初に規定された型式の本発明のレーザ装置は、それにより二つに分割され交互に切り替えられる共振器のアームが提供され、１パルス形成段階で作動する一方のものは受動モード同期手段からなり、他方の共振器のアームは増幅段階で作動し、損失を生じる部品は含んでいないことで特徴づけられる。本発明のレーザ装置では、こうして共振器の異なる部分が異なる時点に用いられ、低いエネルギーを有する短いレーザパルスが生成される段階では、一方の共振器のアームが受動モード同期装置と強度が低い状態に対応する高い共振損失を伴って作動し、パルスの生成が終了した後、その共振器は切り替えられて他の共振器が作動し、そこでの共振器には受動モード同期手段はなくなり、次に作動する共振器の高い共振品質によって高エネルギーのパルスへの増幅が可能になる。
【０００８】
スイッチングのために、レーザビームの偏光が採用されることが望ましく、従ってこのレーザ装置を簡単に具体化するために、これら二つの共振器のアームの間に、スイッチング用の少なくとも一つの偏光検出ビームディバイダーが、偏光回転手段と共に備えられる。ここで、ポッケルスセルが偏光回転手段として用いられることが望ましく、それを通過するレーザビームの偏光方向を９０°回転するために、そのようなポッケルスセルは電気的に制御される。他の適宜の偏光検出ビームディバイダーと組み合わせることにより、レーザビームはこのスイッチングの後に他の共振器アームに導かれる。
【０００９】
偏光検出ディバイダーの各々が、偏光回転手段のどちらかの側のレーザビームの光路に配置されていることが、特に望ましい。この場合受動モード同期手段から遠い側の偏光回転手段の側に備えられた偏光検出ビームディバイダーは、増幅されたレーザパルスを出力結合するように、レーザビーム出力結合素子を形成してもよい。
【００１０】
受動モード同期手段として、それ自体は既に知られている可飽和アブソーバーが用いられることが望ましい。
【００１１】
この可飽和アブソーバーは望ましくは、それ自体は既に知られている可飽和半導体アブソーバーであってもよい。
【００１２】
さらに、小型で効率の良い共振器の具体化のために、この可飽和アブソーバーが一方の共振器のアームを終端するアブソーバーミラー、特に半導体をベースにしたアブソーバーミラーであることが、同様に望ましい。
【００１３】
パルス形成段階に際してレーザビームに所望の損失を導入するために、線形の損失素子、例えばλ／４板（ｐｌａｔｅｌｅｔｔ）を、パルス形成段階に作動する一方の共振器のアームに備えることが望ましく、このλ／４板はレーザ結晶での高いエネルギーの蓄積をもたらす。
【００１４】
このレーザ装置をオールインワンのレーザシステムとして設計するために、ポンプユニットが偏光回転手段を共なう連続波ダイオードポンプユニットである場合には、それが双方の共振器に共通な共振器の一部分を構成することが望ましい。さらに、ポンプユニットがランプポンプまたはレーザポンプである場合には、それが双方の共振器に共通な共振器の一部分を構成することが望ましい。
【００１５】
以下に本発明が、例として図示された望ましい実施例により詳細に説明されるが、それは本発明を限定するためのものではない。
【００１６】
単に図式的に描かれたダイオードポンプのレーザ結晶３を含むポンプユニット２を有し、番号１で表されているオールインワン短パルスレーザ装置が図１に示されている。このポンプユニット２の一方側には、共振器終端ミラー４が備えられている。
【００１７】
このポンプユニット２の他方側には、偏光検出ビームディバイダー５が備えられ、矢印７で図式的に表されているように、増幅されたレーザビーム６のための出力結合素子を同時に構成している。図示された共振器内を一周する間に、レーザビーム６はポッケルスセル８の形式の偏光回転手段に到来し、その偏光回転手段は矢印９で表されているように電気的に制御され、レーザビーム６の偏光を９０°回転するが、それ自体は知られた方法であり以下では手短に説明される。
【００１８】
レーザビーム６の光路にはさらに、他の偏光検出ビームディバイダー１０が配置され、レーザビーム６の偏光状態に従って、レーザビーム６を（即ち一方のレーザ共振器のアーム１１に）透過するか、またはそれを（即ち他方のレーザ共振器のアーム１２に）反射する。図１では、一方の共振器のアーム１１内のレーザビーム６の偏光は頭部が二つある矢印で、また他方の共振器のアーム１２内のものは円内の点で表されており、頭部が二つの矢印は偏光の方向が図の面内であることを表し、他方の共振器のアーム１２の円内の点はレーザビーム６の偏光の方向が図の面に垂直であることを表している。
【００１９】
一方の共振器のアーム１１には、レーザビーム６の光路にλ／４板１３がさらに配置され、レーザビーム６に必要な損失を導入し、次にレーザビーム６は受動モード同期手段として備えられた、可飽和半導体アブソーバーミラー１５により反射される。そのような可飽和半導体アブソーバーミラーは、それ自体は既知であるので、さらなる説明は不用である。
【００２０】
他方の共振器のアーム１２では、レーザビーム６は必要な光路長を得るために、４つのミラー１６−１９を経由して導かれるが、ここでミラー１７、１８は球面焦点ミラーであり、ミラー１６、１９は高反射性の平面ミラーである。
【００２１】
図示のように、素子４、２、３、５、８は共に共振器の一部分２０を構成し、全体の共振器を形成するために、ビームディバイダー１０でのレーザビーム６の偏光方向に依存して、一方の共振器のアーム１１または他方の共振器のアーム１２により補完される。光路長Ｌ１を有する一方のレーザ共振器は素子４、２、３、５、８、１０、１３、１４および１５によって構成され、それらはパルス増強段階（パルス形成段階）２１（図２参照）に働く。光路長Ｌ２を有する他方の共振器は素子４、２、３、５、８、１０、１６、１７、１８および１９によって構成され、それらは増幅（図２の増幅段階２２）に働く。
【００２２】
ポッケルスセル８に電圧が印加されないパルス形成段階２１では、先に言及したように一方の共振器のアーム１１が機能する。二つのビームディバイダー５および１０は、レーザビーム６を透過させる。その理由は、ビームディバイダー５および１０における頭部が二つの矢印を参照すると、後者はこの時点では図の面に平行に直線偏光されているからである。λ／４板１３はシステムに高い損失を導入するように、また共振器２０−１１でのパワーレベルを低く保ってレーザ結晶３における高い反転を引き起こすように調整されている。可飽和アブソーバーミラー１５は一方の共振器のアーム１１側に配置されているので、所望の短いレーザパルスが発生する。これは図２の最上部の図に示され、レーザ結晶３を伴うポンプユニット２と終端のミラー４との間の位置で測定された、パルスの強度Ｉ（３／４）が描かれている。図から明らかなように、距離ｔ_１＝２Ｌ１／Ｃ_０（Ｃ_０はレーザビームの速度）を有するパルスが、次第により短くなっている。
【００２３】
増幅段階２２に切り替えるために、それぞれのポッケルスセル８により与えられたλ／２電圧Ｕ_λ／２が、それ自体は既知の共通な電子回路により９でポッケルスセル８に印加される。（ポッケルスセル８での電圧Ｕｐｃの時間Ｔに依存した推移を示す図２の第２番目の図を参照）。この制御は時刻Ｔ１になされなければならず、共振器内を循環したレーザパルスはそのとき、図１によるとポッケルスセル８のちょうど右側、即ちそれぞれのビームディバイダー５またはポンプユニット２の領域、またはそれぞれ終端ミラーの領域にある。一般的にポッケルスセルは、そのように時間を調整することができる、駆動回路を既に含んでいる。こうして図１には、それに対して高電圧Ｕ_λ／２が２４で印加される高速高電圧スイッチ２３が図式的に示され、そして、それは、それぞれの高電圧スイッチ２３またはポッケルスセル８をそれぞれ時刻Ｔ１とＴ２で切り替えるための電気的パルスを発生させる関連する回路２５を有する。図１はさらに、時刻Ｔ１、Ｔ２の調整を指示する外部から調整可能な時間制御素子２６を図式的に示している。素子２３−２６は、図１では２７で示されている、電子制御ユニットを構成しており、その制御ユニットはポッケルスセル８を経由するレーザビームを切り替えるために備えられている。
【００２４】
レーザパルスがポッケルスセル８に到達した場合、時刻Ｔ１におけるその駆動によって（図２参照）、図の面に垂直に広がるように偏光が９０°回転される。そうするとレーザパルスは、パルス形成段階２１用に備えられた一方の共振器のアーム１１に向かうためにビームディバイダー１０を透過することができず、他方の共振器のアーム１２に反射され、ミラー１６−１９からなるシステムを通過して、最終的にビームディバイダー１０に反射されて、ポッケルスセル８に戻り、再度偏光を９０°回転される。この他方側の共振器のアーム１２には損失を招く部品は含まれていないので、レーザパルスのエネルギーは一周する毎に急速に増大する。図２の第１番目の図のパルスの強度Ｉ（３／４）を参照されたい。
【００２５】
パルスのエネルギーがその飽和値に達したとき、ポッケルスセル８はスイッチをオフにされる。このスイッチオフは時刻Ｔ２に行われ、その時にはレーザパルスはポッケルスセル８の左側、即ち増幅段階用に備えられた他方の共振器のアーム１２内にある。レーザビーム６が左側から到着してポッケルスセル８を通過すると、電圧Ｕλ／２はポッケルスセル８により既にスイッチオフされている（即ちポッケルスセル８の電圧Ｕｐｃは再度０Ｖである）ので、その偏光はもはや９０°回転されてはいない（即ち図の面内）。今やその偏光が図の面に垂直のままであるので、レーザパルスはビームディバイダー５で反射されることにより、結合が解除される（ポンプユニット２へ透過されるもの以外の矢印７を参照）。この増幅された出力パルスは、図２の３番目の図表に出力結合されたパルスの強度Ｉ（７）として示されている。（図１の矢印７を参照）
説明されたシステムでは、偏光に依存する増幅を考慮する必要なく任意のレーザ媒体が使用できるように、レーザ結晶３内の偏光は常に同じにされている（即ち図１によれば図の面内である）。
【図面の簡単な説明】
【図１】 オールインワン設計に従う短パルスレーザ装置を図式的に示す図である。
【図２】 関係する図表を示す図である。

Claims (12)

1. ポンプされるレーザ結晶（３）を含むポンプユニット（２）と、受動モード同期手段とからなる短パルスレーザ装置（１）において、
   二つの別個の交互に切り替え可能な共振器のアーム（１１、１２）が備えられ、
   パルス形成段階（２１）に作動する一方の共振器のアーム（１１）が受動モード同期手段（１５）を含み、
   増幅段階（２２）に作動する他方の共振器のアーム（１２）が損失を導入するコンポーネントを含まないことを特徴とする、短パルスレーザ装置。
2. 該二つの共振器のアーム（１１、１２）を切り替えるために、少なくとも一つの偏光検出ビームディバイダー（１０）が偏光回転手段（８）と共に備えられていることを特徴とする、請求項１に記載の短パルスレーザ装置。
3. 該偏光回転手段（８）がポッケルスセルにより形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の短パルスレーザ装置。
4. 該偏光回転手段（８）の両側のレーザビーム（６）の光路に、それぞれの偏光検出ビームディバイダー（１０、５）が備えられていることを特徴とする、請求項２または３に記載の短パルスレーザ装置。
5. 該偏光回転手段（８）の受動モード同期手段（１５）とは反対の側に、該偏光検出ビームディバイダー（５）がレーザビーム出力結合素子を同時に形成していることを特徴とする、請求項４に記載の短パルスレーザ装置。
6. 該受動モード同期手段が可飽和アブソーバー（１５）であることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一つに記載の短パルスレーザ装置。
7. 該可飽和アブソーバー（１５）が可飽和半導体アブソーバーであることを特徴とする、請求項６に記載の短パルスレーザ装置。
8. 該可飽和アブソーバー（１５）が一方の共振器のアーム（１１）を終端するアブソーバーミラーであることを特徴とする、請求項６または７に記載の短パルスレーザ装置。
9. 該パルス形成段階（２１）で作動される一方の共振器のアーム（１１）に、レーザ結晶（３）に高いエネルギーの蓄積をもたらす線形損失素子が配置されていることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか一つに記載の短パルスレーザ装置。
10. 該ポンプユニット（２）が、連続波ダイオードポンプユニットであり、該ポンプされるレーザ結晶（３）が、該偏光回転手段（８）と共に双方の共振器のアーム（１１、１２）に共通な共振器の一部分（２０）を形成することを特徴とする、請求項２乃至９のいずれか一つに記載の短パルスレーザ装置。
11. 該ポンプユニット（２）が、ランプポンプまたはレーザポンプであり、該ポンプされるレーザ結晶（３）が、該偏光回転手段（８）と共に双方の共振器のアーム（１１、１２）に共通な共振器の一部分（２０）を形成することを特徴とする、請求項２乃至１０のいずれか一つに記載の短パルスレーザ装置。
12. 該線形損失素子が、λ／４板（１３）であることを特徴とする、請求項９に記載の短パルスレーザ装置。

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