JP4598516B2 - 望ましくは受動モードロックを有する短パルス・レーザ装置及びそのための多重反射望遠鏡 - Google Patents

Description

本発明は、望ましくは受動モードロックを有し、長共振器アーム並びに短共振器アームであって、その内の１つはポンプ・ビーム内結合鏡を形成し、他の１つはレーザー・ビーム外結合器を形成する、アームを規定する複数の鏡並びにレーザー結晶を含む共振器を有し、共振器長を増加させ共振器アームの１つに結合された多重反射望遠鏡であって、残りの共振器にレーザー・ビームが外結合されて戻るまで鏡の間で複数回往復して鏡の間の空間に結合されているレーザー・ビームを反射するために鏡を用いて構成されている、望遠鏡を有し、鏡上の連続離心反射点が互いに対してオフセットされている、短パルス・レーザー装置に関する。

同様に、本発明は、共振器長を増加させるための短パルス・レーザー装置のための多重反射望遠鏡であって、残りのレーザー装置にレーザー・ビームが外結合されるまで鏡の間で複数回往復して鏡の間の空間に結合されているレーザー・ビームを反射するために鏡を用いて構成され、鏡上の連続離心反射点が互いに対してオフセットされている、多重反射望遠鏡に関する。

１ＭＷを越えるピーク・パルス出力を有するフェムト秒レンジの極短パルス時間を視野に入れて科学及び産業での最も変化する応用が可能となっているので、近年、短パルス・レーザー装置は、次第に興味深いものになってきた。このように、フェムト秒レンジのパルス時間を有するそのような短パルス・レーザー装置は、電磁放射と物体との相互作用の時間分解研究のために用いることができる。他方で、材料プロセスにおける更なる微細化を視野に入れて、正確さと高速度をもって最も微細な構造を製造することが可能となってきた。高出力パルス・エネルギー及び高反復率を有するフェムト秒レーザー装置は、これに用いるには理想的である。この点で望ましいのは、１０ＭＨｚのオーダーのパルス反復率において、１０ｆｓのオーダーのパルス時間並びに例えば２５〜３０ｎＪのエネルギーを有するレーザー・パルスを生成するレーザー装置である。通常のチタン−サファイア−ｆｓレーザーにおいて、以前のレーザー装置と比較して、フェムト秒レンジ内で相対的に低い（例えば、８０ＭＨｚのかわりに１０ＭＨｚのオーダーである）パルス反復率が望ましい。なぜなら、その場合、より高いパルス・ピーク出力又はより高いパルス・エネルギーを、それぞれ、得ることができるからであり、そのことは、材料の処理にとって興味深い。しかしながら、そのような比較的低い反復率は、レーザー共振器における相対的に長いパルス往復時間を意味し、逆も同様であるが、そのことから、単純な計算によって、共振器長の相当する、例えば２ｍから１６ｍへの、増加が得られ、それは、レーザー装置の寸法の増加の原因となる。

D. Herriottらによる以前の出版物である"Off-Axis Paths in Spherical Mirror Interferometers", Applied Optics, April 1964, vol. 3, No. 4, pp. 523-526に基づいて、パルスの往復時間の長さは、その後、S.H. Choらによって提案されてきた。文献"Generation of 90-nJ pulses with a 4-MHz repetition-rate Kerr-lens mode-locked Ti:Al₂O₃ laser operating with net positive and negative intracavity dispersion", Optics Letters, 15 April 2001, vol. 26, No. 8, pp. 560-562において、（A. Poppeらによる文献"A Sub-10 fs, 2.5-MW Ti:Sapphire Oscillator", Ultrafast Optics 1999, pp. 154-157, Ascona, Switzerland(1999)に従って）本明細書では「多重反射望遠鏡」又は短く「望遠鏡」とも称される多重パス共振器部が提供され、それによると、互いに対向して配置された鏡での複数回の反射により、この共振器部における多重パスによってパルスの往復時間を増加させ、それによって反復率を低下させる。

しかしながら、これらの公知のレーザー装置又は望遠鏡にそれぞれ不利なことは、合計でのレーザー装置の寸法が相対的にかさばった装置となってしまうほど、相対的に大きな寸法がレーザー共振器になお要求されることである。更に、公知のレーザー装置においては、レーザー放射の安定性もまた問題をもたらし、安定性の目的のために、残りの共振器にできる限り良好に適合する必要のあるレーザー・ビームの断面像を望遠鏡が生成することを考慮しなければならない。しかしながら、公知の装置においては、望遠鏡の鏡の位置のわずかな不正確さ及び相対的にわずかな共振器長の変化が、共振器の全体的な不安定性という結果と共に、ビーム断面の多大な変化を引き起こす。更に、レーザー・ビームが望遠鏡の鏡の１つにおけるスリットによって望遠鏡部に結合され、鏡における相当するスリットによってこの望遠鏡部から再び外結合される、Choらによる文献から知られるレーザー装置においては、鏡の設計が複雑であり、その製造は問題をもたらす点が不利である。

従って、比較的小さな共振器寸法を有するレーザー装置においてパルスの往復時間を増加させることによる、最初に定義したような短パルス・レーザー装置におけるピーク・パルス出力の増加、更に、残りの共振器に対する望遠鏡の良好な適合を可能にすることが、本発明の目的であり、それにより、レーザー・ビーム生成における高い安定性が可能となり、共振器部に対する適合の正確な微調整も可能となる。更に、共振器の望遠鏡領域におけるレーザー・ビームの内結合及び外結合のための単純な適合化手段を提供することが本発明の目的である。

最初に定義された種類の本発明の短パルス・レーザー装置は、望遠鏡がただ１つの曲面の、望ましくは凹面の鏡、並びに２つの曲面鏡を有する架空の多重反射配置の中央に少なくとも実質的に相当する位置を有する平面鏡を有し、それにより、望遠鏡の１つの曲面鏡は、架空の他の曲面鏡の反射点をも含むことを特徴とする。

同様に、本発明は、最初に定義した望遠鏡であって、望遠鏡の鏡として、ただ１つの曲面の、望ましくは凹面の鏡、並びに平面鏡が与えられ、平面鏡の位置は、２つの曲面鏡を有する架空の多重反射配置の中央に少なくとも実質的に相当し、それにより、望遠鏡の１つの曲面鏡は、架空の他の曲面鏡の反射点をも含むという特徴を含む望遠鏡を提供する。

上述の設計により、望遠鏡は、その寸法が実用的に半分になり、「折り返される」。この策は、曲面鏡上で反射された場合、レーザー・ビームの波面は、同様の曲面の領域を描き、次いで波面は、反対に配置された鏡上で反射されるまで変化して、その鏡の曲率に相当するようになり、その間の中央においては波面が平面である状況が得られるという発見に基づいている。本発明によれば、この場所に平面鏡を配置する。それにより得られる寸法の減少とは別に、平面鏡―通常、レーザー共振器においては、誘電体材料の多層鏡が用いられる―は、曲面の基板（substrate）鏡よりも実質的に好ましい価格で製造することができるという事実においても、実質的な利点が見られる。後に説明するが、１つのビームすなわちビーム・パスを何ら問題なく「分割する」ために、適切な内結合鏡及び外結合鏡を、それぞれ、搭載することができるように、多重反射のコース内に生成される隣接するビーム・パスは、相対的に広く間隔を空けられるので、レーザー・ビームの内結合又は外結合に対して、この内結合及び外結合が曲面鏡と平面鏡との間のほぼ中央において生じるときに、十分な空間が利用可能となるという結果が、更なる利点として、この装置には得られる。他方、これにより、スリット、貫通孔等を何ら用いることなく、多重反射を担う鏡を製造することができる。

できる限り単純にすることができ、動作中に鏡に対してできる限り低い負荷となる、望遠鏡の鏡の設計、並びにレーザー放射の安定性を視野に入れると、１つの曲面鏡上に、この鏡の反射点並びに架空の他の曲面鏡の反射点が、互いに相当する円弧の距離で架空の円周上に交互に配置される場合に、更に有利となる。このように、この装置には、望遠鏡の鏡の間のレーザー放射のビーム・パスの「交互配置（interleaving）」が無く、更に、多重反射の間にレーザー・ビームが従うビーム・パスは、鏡の間でジグザグ状であり、近似的な円筒面又はフラスト（frusto-）円錐面に相当する。

製造技術における応用に対する短パルス・レーザー装置の設計のために特に探求されたパルス往復の増加を視野に入れると、合計８個の反射点を１つの曲面鏡上に与える場合に、さらに好適となる。

レーザー放射の安定性のために、それぞれ、望遠鏡及び共振器の適合の間に、鏡の間の距離及び曲面凹面鏡の曲率半径が、関係
Ｌ／Ｒ＝１±ＳＱＲＴ（（１＋ｃｏｓα）／２）
に相当する場合は、好都合である。ただし、
Ｌは、曲面鏡と平面鏡との間の距離の２倍であり、
Ｒは、曲面鏡の曲率半径であり、
αは、１つの曲面鏡に実際に結合しかつ円周上に位置する２つのそれぞれの連続する反射点の間の中央角である。

単純で安定な実施形態のために、ここで、望遠鏡の曲面鏡が凹面鏡であり、これに対して、
Ｌ／Ｒ＝１−ＳＱＲＴ（（１＋ｃｏｓα）／２）
が成立することを更に条件とする。

既に述べたように、望遠鏡の「折り返し」を有する本発明の設計を用いて、望遠鏡の領域においてレーザー・ビームを内結合及び外結合するための適切な実現性が与えられ、それにより、本発明に従う短パルス・レーザー装置の特に好都合な実施形態は、実質的に曲面鏡と平面鏡との間の中央において、レーザー・ビームに対する内結合鏡及び外結合鏡が、これらの２つの鏡の間のビーム・パスの内の１つのパス内に与えられることを特徴とする。

最後に、安定性を目的として、望遠鏡の残りの共振器に対するより良い適合のために、望遠鏡を長共振器アームに結合すると、特に好都合である。すなわち、長共振器アームにおいて、相対的に大きな断面を有するレーザー・ビームが、望遠鏡部への内結合のために利用可能であり、本望遠鏡の設計を用いると、内結合する間と同じ断面を実質的に有して、ビームが再び外結合されて残りの共振器部に供給される前に、望遠鏡部における異なる反射の間に、レーザー・ビームの断面は、ほんのわずかしか変化しないことが研究によって示された。これにより、ビーム断面は実質的に変化しないので、あらゆる起こり得る軽微な長さの変化、すなわち望遠鏡のレンズの間の距離の軽微な変化、は、ほとんどいかなる効果をも有しない。このように、望遠鏡と残りの共振器との間の最適な適合が実現可能となる。

以下において、図面で説明される望ましい模範的実施形態によって本発明をより詳細に説明するが、本発明をそれらの実施形態に限定するものではない。

図１において、本質的に知られているKerrlensモード・ロック原理が、例えば、短パルスを生成するために用いられる短パルス・レーザー装置１１を概略的に説明する。

図１によると、レーザー装置１は、例えばアルゴン・レーザー・ビームである、ポンプ・ビーム１３が供給される共振器１２で構成される。例えばアルゴン・レーザーである、ポンプ・レーザー自体は、簡単のために図１においては省略されており、それは、従来技術の一部である。

レンズＬ１及びダイクロイック・ミラーＭ１を通過した後、ポンプ・ビーム１３は、本例ではチタン：サファイア（Ｔｉ：Ｓ）固体レーザー結晶である、レーザー結晶１４を励起する。ダイクロイック・ミラーＭ１は、ポンプ・ビーム１３に対しては透明であるが、Ｔｉ：Ｓレーザー・ビームに対しては高反射性である。共振器ビームである、このレーザー・ビーム１５は、次にレーザー鏡Ｍ２に当たり、それによってレーザー鏡Ｍ３へと反射される。このレーザー鏡Ｍ３は、再びレーザー・ビームをレーザー鏡Ｍ４へと反射し、そこからレーザー・ビーム１５は、レーザー鏡Ｍ３、Ｍ２、及びＭ１へと反射されて戻り、再びレーザー結晶１４を通過する。鏡Ｍ２、Ｍ３、及びＭ４を含むこの共振器部は、示した例においてはＺ型である、いわゆる短共振器アーム１６を形成する。

鏡Ｍ１から、次に、レーザー・ビーム１５は、レーザー鏡Ｍ５へ、そこからレーザー鏡Ｍ６並びに更なるレーザー鏡Ｍ７へと反射され、それにより、長共振器アーム１７として与えられる、第２のＺ型共振器アーム１７が形成される。レーザー鏡Ｍ７から、レーザー・ビーム１５は、図１に単に概略的に示した望遠鏡１８に入射し、そこから外結合器として動作する終端鏡ＯＣへと到達する。更には図示されていない鏡であって、レーザー共振器１２の方向へ望ましくない反射が生じるのを防ぐため並びに分散（dispersion）補正のために用いられる薄膜技術で形成された鏡、並びに補正プレートＣＰを用いた、補正機能の提供の下で、この外結合器終端鏡ＯＣを介して、レーザー・ビーム１５の一部は、外結合される。

レーザー結晶１４は、光学的に非線形な面平行体（plane-parallel body）であり、レーザー・ビーム１５の高い電界強度に対しては大きい実効光学厚さを有するが、レーザー・ビームの電界強度が低い所ではわずかな実効厚さしか有しないKerr素子を形成する。Kerr効果として本質的に知られるこの現象は、レーザー・ビーム１５の自己集束のために利用される。すなわち、レーザー結晶１４は、レーザー・ビーム１５に対する集束レンズを構成する。例えば、図１及び２には更には示されていない開口（例えば、ＡＴ ４０５ ９９２ Ｂを参照されたい）等の本質的に従来の方法で、モードロックは、更に実現することができる。しかしながら、例えばＭ４等の終端鏡を可飽和ブラッグ反射器として設計し、それにより、この鏡をモードロックのために用いることも考えられる。

鏡Ｍ１、Ｍ２、…、Ｍ７は、薄膜技術で形成される。すなわち、鏡は、大きなスペクトル帯域幅を有する超短レーザー・パルスを反射するときに、その機能を果たす多くの層で構成される。レーザー・ビーム１５の異なる波長成分は、反射される前に、各鏡の層内の異なる深さに入る。この様に、異なる波長成分は、各鏡において、異なる量の時間だけ遅延される。短波成分は、かなり外側の方で（すなわち、表面の方で）反射されることになるが、長波成分は、鏡内部のより深くで反射されることになる。これにより、長波成分は短波成分に対して時間的に遅延されることになる。この様にして、特に短い時間レンジ（望ましくは、１０フェムト秒及びそれ以下のレンジ）のパルスが広い周波数スペクトルを有する場合、分散補正を実現することができる。これは、レーザー結晶１４内のレーザー・ビーム１５の異なる周波数成分は異なる屈折率を「見る」（すなわち、レーザー結晶１４の光学厚さは、異なる周波数成分に対して異なる大きさであり、それゆえ、異なる周波数成分は、レーザー結晶１４を通過する際に異なる遅延を受けることになる）という事実の結果である。この効果は、薄膜レーザー鏡Ｍ１、Ｍ２、…、Ｍ７における上述の分散補正によって打ち消される。

これまでに述べてきたことは、モードロックを有する短パルス・レーザーの本質的な従来の構成であり、それゆえ、後の詳細な説明は必要ではない。

動作中、短共振器アーム１６並びに長共振器アーム１７におけるレーザー・ビーム１５の１回毎の往復で、レーザー・パルスの一部は、上述したように、外結合器ＯＣによって外結合される。実際には、望遠鏡１８を有しないレーザー共振器１２の長さは、約２ｍとすることができ、７５〜１００ＭＨｚ、例えば８０ＭＨｚ、の周波数に従う反復率が、例えば得られる。レーザー装置１１を例えば材料の処理のために用いることを視野に入れて、往復時間を増加させ、それにより、反復率を減少させることによって、より高いパルス・ピーク出力、すなわちパルス・エネルギー、を得るために、レーザー共振器１２の長さは、望遠鏡１８の導入によって増加される。全共振器長に因子８をかけると、それは例えば約１５ｍ又は１６ｍの共振器長を意味するが、反復率は、例えば約１０ＭＨｚとすることができる。レーザー・パルスのためのこの長いパス長を得るべく、複数回の反射に従って望遠鏡１８の構造長さ（construction length）を短くすることのできる、レーザー・ビーム１５の多重反射を得るために、望遠鏡１８内に鏡の配置を与える。

図２に、図１に従うレーザー装置の搭載プレート１９上への配置を概略的に示す。このプレートは、ａ＊ｂのサイズを有し、例えば、ａ＝９００ｍｍ＊ｂ＝４５０ｍｍである。この搭載プレート１９上に、図１の破線で囲まれたレーザー共振器１２の部分２０が、筐体内に密閉されて搭載され、更に、ポンプ・レーザー２１も、搭載プレート１９上に配置され、そこからポンプ・ビーム１３が、２個の鏡２２、２３を介してレーザー共振器部２０に供給される。この共振器部２０からレーザー・ビーム１５が、レーザー鏡Ｍ６の方向に現れ、上述したようにＭ６によってレーザー鏡Ｍ７に反射される。そこからレーザー・ビーム１５は、望遠鏡１８に入る。内結合鏡２４は、例えば筐体内にある望遠鏡１８内に配置され、それは、２個の対向して配置された望遠鏡の鏡２５、２６の間にある複数のビーム・パスの内の一つの中にある。この内結合鏡２４は、図２の左側にある１つの望遠鏡の平面鏡２５にレーザー・ビーム１５を反射し、次に平面鏡２５は、対向して配置された望遠鏡の凹面鏡２６にレーザー・ビーム１５を反射する。次にレーザー・ビーム１５は、望遠鏡の２個の鏡２５、２６の間で、複数回、例えば８回、往復して反射される。この例においては、合計８個の反射点は、望遠鏡の凹面鏡２６上で、凹面鏡２６の中心に関する架空の円周上に与えられる８個のレーザー・ビーム反射に相当する。これについては、図７と共に図８を用いて、後により詳しく説明する。

最後にレーザー・ビーム１５は、外結合鏡２７によって、望遠鏡１８の外へ結合される。外結合鏡２７は、それと同じビーム・パス内にある内結合鏡１４の近傍に配置され、引き続く鏡２８にレーザー・ビーム１５を反射する。鏡２８からレーザー・ビーム１５は、鏡２９を介して外結合器ＯＣに到達する。説明を簡単にするために、鏡２８、２９は、図１の概略図には、更には図示していない。更に、望遠鏡１８が存在しないと仮定すると、終端鏡（外結合器）ＯＣの位置は、図１におけるレーザー鏡Ｍ６の位置となる。

増加したレーザー・パルス往復時間を有する短パルス・レーザー装置における重要な面は、レーザー発振の安定性であり、個々の鏡が生じるレーザー・ビームの断面像を視野に入れて、適切な改造を行う必要がある。特に産業上の利用のために、すなわち材料の処理の場合において、特に重要な更なる重要な面は、レーザー装置１１のコンパクト性、産業用の従来のレーザー装置に相当する９００ｍｍ＊４５０ｍｍという上述の寸法、である。しかしながら、寸法を増加させずに、望ましいレーザー・ビーム１５のより長い往復時間及びより高いパルス・エネルギーを得ることができるように、分離装置をなすこともできる望遠鏡１８を、ここでは（図２参照）付加的に内蔵する。追求しているのは、以前の１０ｎＪ未満にかわる数百ｎＪのオーダーのパルス・エネルギーである。これにより、２ＭＷより大きなピーク・パルス出力を得ることができる。

以前の望遠鏡を有するレーザー装置の場合以外に、本レーザー装置１１においては、上述したように、望遠鏡１８は、長共振器アーム１７と結合している。これは、発振の安定性に対して有利だからであり、図９を参照して、後に、より詳細に説明する。望遠鏡１８において、レーザー・ビーム１５は、架空の円筒面又はフラスト円錐面にほぼ沿ってジグザグに、鏡２５、２６の間で、複数回、例えば８回、往復に動く。望遠鏡１８の長さのほぼ中央に内結合鏡２４及び外結合鏡２７を配置すると、鏡２４、２７に対して十分な空間が存在することになる。なぜなら、鏡２５、２６の間のレーザー・ビーム１５の他のビーム・パスに悪影響を及ぼさないように、この位置における隣のビーム・パスまでの距離は、相対的に大きいからである。ここで重要なことは、また、後により詳細に説明するが、ここで有力ないわゆる「弱集束」配置である。

図３〜８でより詳細に説明する非常に特別な構成によって、例えば８重にレーザー・ビーム１５のパス長を伸ばしているにもかかわらず、極端に短い望遠鏡部１８が得られることが、本実施形態に対しては特に重要である。

図３に、レーザー・ビーム１５が鏡２６ａ、２６ｂの間で複数回往復して反射される、２つの凹面鏡２６ａ、２６ｂを有する望遠鏡の本質的に従来の基本構成を示す。反射の種類は、ほぼ円筒状の生成された面において、すなわち反射点１〜５（更に、〜８。ここで、図３の反射点６、７、及び８は、反射点４、３、及び２に一致して配置される。関連する図４及び５も参照されたい。）の間で、レーザー・ビームがジグザグに往復して反射されるものである。もちろん、「円筒状の生成された面に従う」ジグザグ状のコースと言う場合、これは、あまり正確ではない。なぜなら、鏡２６ａ、２６ｂの間の個々のビーム・パスは、直線的であり斜めに伸びていて、円筒面の母線を形成することができないからであるが、多重反射レーザー・ビーム１５のコースは、円筒面に相当するものとして、比較的良く近似することができる。

個々のビーム・パスのジグザグ状のコース又は角のオフセットは、それぞれ、また、図４及び５に従う鏡２６ａ、２６ｂの２つの概略的な（内側の）像から生じる。これらの図に、１〜８に番号付けされた、鏡２６ａ、２６ｂ上のレーザー・ビーム１５の反射点を示す。ここでは、鏡２６ａ上の反射点１から、それに対して角度がオフセットしている反射点２に、そして、そこから、やはり角度がオフセットしている、鏡２６ａ上の反射点３等に、ビームは動く。説明した模範的な実施形態において、例えば２と４等の関連する反射点に対する角度のオフセットとして、各鏡２６ａ、２６ｂにおいて９０°の中央角αが生じる。２＊４反射以外の場合には、中央角αは、それに応じて、より小さくなる。

図３〜５を用いて前に説明した望遠鏡１８の鏡２６ａ、２６ｂの間における多重反射の種類は、「弱集束」配置とも称される。他方、例えば鏡２６ａ上の反射点１から、レーザー・ビームが、鏡２６ｂ上の反射点６へ、そしてそこから鏡２６ａ上の点３へ、そしてそこから再び鏡２６ｂ上の反射点８へ、鏡２６ａ上の反射点５へ、鏡２６ｂ上の反射点２へ、鏡２６ａ上の反射点７へ、そして鏡２６ｂ上の反射点４へ、反射されて、ビームが反射点１の方向へ反射されて戻るのと仮定すると、「高集束」配置が与えられる。このビーム・コースを用いた場合、図３の破線で概略的に示した、２つの鏡２６ａ、２６ｂの間にある中央２５’の領域に、バンドリング（bundling）すなわち「集束」が得られることになる。図２で既に提案し、図７及び８を参照して後に更に詳述する、望遠鏡１８の本設計に対しては、図３〜５より生じる弱集束配置がより好適であることが研究によって示された。というのは、特に、この場合、中央２５’と望遠鏡の鏡２６との間にある問題の領域において、ビーム・パスが適切にかなり離れているからである。後に説明するが、平面鏡２５（図６も参照されたい）は、中央２５’に配置され、この中央２５’と各凹面鏡２６ａ、２６ｂとの間で、弱集束する配置にあるビーム・パスは、なお十分に間隔が空いているので、ただ１つのビーム・パスを分割することによって、何ら問題なく、内結合鏡２４及び外結合鏡２７を収容することができる。

より良い説明を目的として、図５には、また、高集束配置の場合に対する、適切にオフセットした、反射点の連続番号を、弱集束配置のための反射点に対する番号２、４、６、及び８の脇に丸括弧内に示した。

例えば反射点１から反射点２への、各ビーム・パスにおけるレーザー・ビーム１５は、鏡２６ａの曲率に相当する曲率を持つ波面を最初に有しており、その後、反射点２において鏡２６ｂの曲率に相当する逆の曲率に変化することが、図３から更に説明可能である。それらの間の中央２５’においては、平面の波面を有する状況が存在する。平面鏡である望遠鏡の鏡２５をこの中央２５’に配置する点において、本発明は、この状況を利用している。架空の中間的段階にある図６の概略図に表したように、図３に示した２つの望遠鏡の鏡２６ａ、２６ｂを、次に「折り返す」、すなわち、一致へともたらす。互いに他方へと動かされた２つの鏡２６ａ、２６ｂが同じ位置を有して、それにより、図２及び７に従う望遠鏡の凹面鏡２６が得られるまで、鏡２６ａを他の望遠鏡の鏡２６ｂへと中央２５’に関して回転することが、より良い理解を目的として、描かれている。その結果、元の中央平面２５’に従って配置された平面鏡２５は、凹面鏡２６の反対に位置することになる（図７を参照されたい）。

従来の望遠鏡のこの「折り返し」により、本発明の望遠鏡１８における長さ寸法の半減が得られ、更に、図３〜５に従う全ての反射点１〜８は、１つの残りの凹面鏡２６上に存在することになる。鏡２６の概略図においてこれらの反射点１〜８を可視化している、図７に加えて図８も参照されたい。更に、図８には、角度のオフセットに対して重要である中央角αも入れてある。区別を容易にするために、鏡２６ａ上に元々存在していた反射点を小円で示し（反射点１、３、５、及び７）、それに対し、他の鏡２６ｂ上に元々存在していた反射点２、４、６、８をバツ印で示した。従って、この様にして得られた最終的な発明の配置においては、一方の望遠鏡の鏡２６ａ及び他方の望遠鏡の鏡２５ｂのそれぞれの反射点１〜８は、交互に互いの後を追い、それぞれは、他方に対して角度α／２だけオフセットしている。それの反対では、α／４に従う角度だけ、それに対してオフセットを有する反射点１’〜８’が、平面鏡２５上に存在する（図７を参照されたい）。

従って、図７に従う望遠鏡の設計は、鏡２６が図３の鏡２６ｂに相当するように、考えることができる。ここで、鏡２６は、他の凹面鏡２６ａの反射点を更に含む。図３の望遠鏡の鏡２６ａ、２６ｂの間の距離（Ｌ）の半分に相当する望遠鏡の鏡２６からの距離（Ｌ／２）を有する平面鏡２５は、この「一体化した」凹面鏡２６の対として働く。

図９は、レーザー装置１を通したパスｘに依存するレーザー・ビーム１５の横の半径Ｒ’の経過を示しており、短共振器アーム１６の終端鏡Ｍ４上に比較的小さいビーム断面が存在し、それは、レーザー結晶１４までこの短共振器アーム１６内で増加することが見られる。既に論じたように、レーザー結晶１４は、レーザー・ビームの集束をもたらし、それは、図９の曲線における狭いへこみによって目に見える。その後、長共振器アーム１７が、望遠鏡１８へのレーザー・ビームの供給まで続き、望遠鏡１８の入り口におけるビーム断面は、相対的に大きくなる。このように、何ら問題なく発振器において良好な安定性が得られるので、この事実も、本装置に利用される。なぜなら、望遠鏡が短共振器アーム１６に結合されていると仮定した場合には、状況はそうではなく、望遠鏡１８における多重反射の間に（望遠鏡１８における反射点１〜８に相当する番号を与えられた図９における反射も参照されたい）、各場合に優勢なビーム断面のほんのわずかな変化となるからである。これにより、何ら問題なくレーザー装置１１において安定な発振を得ることができ、また、長さのわずかな変化は、いかなる不安定性にもつながらない。

図９は、単なる概略的なものに過ぎないが、レーザー装置１１の本発明の特に望ましい実施形態−弱集束配置及び望遠鏡１８の長共振器アーム１７への結合−との関係を説明する。他方、図１１〜１４は、完全に具体的な実施形態に対するコンピュータ・シミュレーションを示し、ここで、高集束配置に対する状況、又は、望遠鏡１８が短共振器アーム１６と結合している場合に対する状況を、それぞれ、説明する。理解を非常に簡単にするために、これらの図には、反射点１〜８、共振器アーム１６、１７、並びにレーザー結晶１４を入れてある。

しかし、まず最初に、全システムの安定性に関する説明を図１０で与える。これに対しては、関係Ｌ／Ｒ＝１±ＳＱＲＴ（（１＋ｃｏｓα）／２）が重要である。ここで、
Ｌは、凹面鏡２６と平面鏡２５との距離の２倍であり、
Ｒは、曲面凹面鏡２６の曲率半径であり、
αは、１つの凹面鏡に実際に結合し円周上に位置する２つのそれぞれの連続する反射点の間の中央角である。

前に図７及び８で説明したように、合計８個の反射点１〜８（すなわち、それぞれの、架空の、凹面鏡２６ａ、１６ｂに対して４個の反射点）が存在するという事実から出発して、図４、５、及び８にも表したように、中央角は、α＝９０°となる。更に、上述の関係における符号「−」は、前に説明した弱集束配置に相当する（これに対し、符号「＋」は、高集束配置に対して当てはまる）。従って、合計８個の反射点１〜８及び弱集束配置に関する例に対しては、上述の関係から次の関係が得られる。
Ｌ／Ｒ＝１−ＳＱＲＴ（１／２）

ゆえに、関係Ｌ／Ｒ＝０．２９３が得られる。Ｒ＝５０００ｍｍ（凹面鏡に対する半径の値は、通常「−」の符号と共に示されるが（図１０を参照されたい）、ここでは簡単のために、符号なしで半径を与える）の鏡の半径に対しては、Ｌ＝１４６５ｍｍの、鏡２６ａ、２６ｂの間の距離が得られる。この距離Ｌは、個別の装置に対しては大きすぎることになるが（図２の実施形態におけるａ＝９００ｍｍという搭載プレートの寸法を参照されたい）、図６及び７で述べた望遠鏡１８の「折り返し」を用いると、この距離は、凹面鏡２６と平面鏡２５とが正確にＬ／２＝７３２．５ｍｍだけ離れて位置する非常に好適な配置となる。

初めに言及したchoらによる文献に原理的には示されているが、高集束配置の場合には、ビーム・パスのバンドリングは、上述したように、２つの凹面鏡の間で生じ、この高集束配置においては、上述の関係における符号「＋」を用いる必要があり、これより、関係Ｌ／Ｒは、Ｌ／Ｒ＝１．７０７という値になる。Ｌ＝１４６５ｍｍという鏡の間の距離を用いると、このことは、Ｒ＝Ｌ／１．７０７＝８５８ｍｍという各望遠鏡の鏡の半径を意味する。Ｌ／２＝７３２．５という距離で凹面鏡２６と平面鏡２５を用いると、図５の丸括弧内に示した番号に従う反射点が得られることになる。

図１０において、ｘ軸は、正確に（２倍の）（対数で示した）鏡の距離Ｌである。実際に実現されている配置の付近に箱を描いた（図１２も参照されたい）。関連する曲線３０は、望遠鏡１８が発振器の長アーム１７（１２００ｍｍ）に結合している点で、作成されている。半径Ｒを変えると、距離Ｌは変化する。他のアーム１６における（すなわち、終端鏡Ｍ４における）ビーム直径の相対的な（すなわち、パーセント）変化ΔＤが計算されると、図１０のｙ軸上に入れた値が得られる。安定性の最大値は、望遠鏡１８の変化にもかかわらずビーム直径が変化しない位置に（すなわち、ゼロの所に）正確に存在する。図１０において、曲線３１、３２、及び３３は、他の実施形態に対して、比較を理由として、図示した。

曲線３０：これは、弱集束配置及び長共振器アーム１７に結合された望遠鏡１８で議論される場合である。曲線３０のゼロ線との交差点は、Ｒ＝４０００ｍｍの所にある。問題となる現実の実施形態（図１２）に対して、正確にこの鏡は、間際で得られなかった。従って、Ｒ＝５０００ｍｍを有する鏡２６での配置を実現した（図１２に関する以下の説明も参照されたい）。

曲線３１：長共振器アーム１７及び（例えば、Ｒ＝８５８ｍｍのような）小さい曲率半径における望遠鏡１８は、この曲線３１を生成することになる。Ｒ＝８５８ｍｍ（点３４）における関係は、曲線３０と比較して、より低い安定性を生じる。変化が小さい安定な点（点３５）も存在するが、これは、２つの鏡の間の非常に大きな距離（Ｌ＝６ｍ）の所に位置することになる。

曲線３２：（例えば、鏡の半径Ｒ＝５０００ｍｍを有する）弱集束する望遠鏡１８が元々の発振器１２の短アーム１６に結合している場合には、この曲線３２が生成される。ここで、再び、安定性の最大値は、距離Ｌの非常に小さな値（＜２０ｃｍ）の所で見られる。これより、意図することとは反対に、レーザー・ビーム・パスの大きく全体的な長さは生じないことになる。

曲線３３：望遠鏡アーム及び高集束配置と短共振器アーム１６の組み合わせにおいて、安定性の最大値は、実際に、非常に良い位置（Ｌ＝０．８ｍ）にあるが、この場合は、この位置において、曲線３３は大きい傾斜を有する。

しかしながら、実際には、製造において（１０％までもの）偏差が、鏡の半径において、かなりの頻度で起こり得る。また、用いたモデルは、完全に正確ではなく、測定されたビームの輪郭及び計算されたビームの輪郭における偏差が生じることがある。従って、（曲線３３におけるような）臨界的な最大値ではなく、（曲線３０におけるような広い最大値）を見いだすことが、より重要である。

図１１〜１５において、実際の実施形態に属するｍｍでの横のビーム半径Ｒ’に関連する曲線を、直線（ｘ軸）上に伸びるｍでの共振器長ｘに対して示す。これらの実施形態は、コンピュータ・シミュレーションに基づいているが、図１２に従う実施形態は、テストを目的として実際に実現した。

図１１〜１５の全ての図において、連続線は、全ての長さの値が理論値に相当する理想的な発振器における関係を示している。破線は、（非常に顕著であるが）２つの望遠鏡の鏡２５、２６の間における２ｃｍの偏差をシミュレートしている。実際には大きな偏差は生じないように思われるが、テストは、偏差及び温度のドリフトが生じることを示した。しかしながら、大きな偏差の場合においてさえ（短共振器アーム１６の領域における）レーザーが抜本的なシフトを示さないのであれば、例えば望遠鏡の鏡２５、２６の間の距離におけるわずかな変化につながるわずかな振動も、安定性に関してはいかなる役割も演じないことになると仮定することができる。

図１１に、横方向のビーム半径Ｒ’を、レーザー装置１１に対するｍでの共振器長ｘに関して示す。ここで、共振器データは、以下の通りである。
短共振器アーム１６：６５ｃｍ。
長共振器アーム１７：１２０ｃｍ（それに望遠鏡１８が続く）。
望遠鏡の鏡２５、２６の間の距離：Ｌ／２＝５２ｃｍ。
望遠鏡の凹面鏡２６の半径：Ｒ＝３５５０ｍｍ。
発振器１２の全長：１０．２２ｍ。

この図は、共振器１２の安定性において最適条件を有する実施形態に相当する。しかしながら、ここでは、レーザー・パルスの往復時間が所望の値まで拡大されない程、望遠鏡の鏡２５、２６の間の距離が大きくはなく、反復率は、単に１４．６ＭＨｚまで減少されることになる。

既に上述したように、半径Ｒ＝５０００ｍｍを有する凹面鏡は、実際の研究のために利用可能であった。望遠鏡の鏡としてこの鏡を用いて、上述のようにレーザー装置を構築すると、最適な安定性（図１０のゼロ線を参照されたい）はもはや与えられないが、そのわずかな偏差は与えられる（図１０の曲線３０上の箱の中の点を参照されたい）という事実が容認された。しかしながら、図１０から読めるように、この領域における曲線３０は、非常に平らであり、実質的に０の上昇を有しているので、この場合に生じる偏差は、容認される。図１２に、ビーム半径／共振器長の関連図を示す。

ここで、共振器データは、以下の通りであった。
短共振器アーム１６：６５ｃｍ。
長共振器アーム１７：１２０ｃｍ（それに望遠鏡１８が続く）。
望遠鏡の鏡２５、２６の間の距離：Ｌ／２＝７３．２ｃｍ。
望遠鏡の鏡２６の半径：Ｒ＝５０００ｍｍ。
共振器１２の全長：１３．６ｍ。

図１３に、長共振器アーム１７に続く望遠鏡１８における高集束配置が与えられる場合を示す。これは、望遠鏡１８の鏡２５、２６の変化に関しては、あまり安定でない構成を生じる。このことは、破線の実線からの偏差に基づいて、図１３から直接的に認識される。

共振器データ：
短共振器アーム１６：６５ｃｍ。
長共振器アーム１７：１２０ｃｍ（それに望遠鏡１８が続く）。
望遠鏡の鏡２５、２６の間の距離：Ｌ／２＝７３．２ｃｍ。
望遠鏡の鏡２６の半径：Ｒ＝８４９ｍｍ。
共振器１２の全長：１３．６ｍ。

このように、図１３は、図１０の曲線３１上の点３４に近似的に相当することになる。

図１４に、望遠鏡１８が短共振器アーム１６に続くように配置される場合を示す。（上述したような）望遠鏡における高集束配置の場合の図１３と比較して、安定性に関して幾分良い状況が得られていることが見られる。この高集束配置は、短共振器アーム１６に対してより良く適合する。図１３と比較すると図１４においては、それほど変化しないビーム直径によっても、このことは示される。

図１４に関する共振器データは、以下の通りである。
短共振器アーム１６：６５ｃｍ（それに望遠鏡１８が続く）。
長共振器アーム１７：１２０ｃｍ。
望遠鏡の鏡２５、２６の間の距離：Ｌ／２＝７３．２ｃｍ。
望遠鏡の鏡２６の半径：Ｒ＝８４９ｍｍ。
共振器１２の全長：１３．６ｍ。

最後に、望遠鏡１８が短共振器アーム１６に続くように配置された場合には、高発散レーザー・ビーム１５が望遠鏡１８に内結合されるので、望遠鏡１８を長共振器アーム１７に結合することがいかに有利であるかが、図１５から分かる。図１１に与えた表現とは対照的に、弱集束する望遠鏡１８の第１の反射点は、それゆえ、レーザー・ビームを再び集束する効果を有しない。長いパスの後でこの平行を得るのは、第２の反射点のみである。従って、望遠鏡の鏡の個々の反射点上の最大ビーム半径Ｒ’は、＞２ｍｍである。すなわち、ビーム直径は、４ｍｍより大きい。しかしながら、実際には、いかなる出力も失わないようにするために、各ビームに対する望遠鏡の鏡において、因子３だけ大きい空間が存在する必要がある。しかしながら、ここで、このことは、１ｃｍより大きな直径を有する領域が反射点ごとに鏡の上に存在する必要があることを意味しており、それにより、鏡の不均一性におけるすべての欠陥は、レーザー・ビームの像において拡大された形態で見られ、ビームのゆがみを生じることになる。

図１５に関連する共振器データは、以下の通りである。
短共振器アーム１６：６５ｃｍ（それに望遠鏡１８が続く）。
長共振器アーム１７：１２０ｃｍ。
望遠鏡の鏡２５、２６の間の距離：Ｌ／２＝７３．２ｃｍ。
望遠鏡の凹面鏡２６の半径：Ｒ＝５０００ｍｍ。
共振器１２の全長：１３．６ｍ。

本発明に従う望遠鏡を有する短パルス・レーザー装置の構成の概略的表現を示す図である。 搭載プレート上に配置されたときのかかる短パルス・レーザー装置と共に、概略的に表現された望遠鏡の領域におけるレーザー・ビームの内結合及び外結合を示す図である。 望遠鏡の２つの凹面鏡を有する従来の望遠鏡を概略的に示す図である。 その上に反射点を有するこの望遠鏡の鏡を概略的に示す図である。 その上に反射点を有するこの望遠鏡の鏡を概略的に示す図である。 望遠鏡の平面鏡を与えることによる、図３に従うかかる望遠鏡の「折り返し」の間の架空の中間的段階を示す図である。 凹面鏡及び平面鏡と共に、望遠鏡へのレーザー・ビームの内結合並びに望遠鏡からのレーザー・ビームの外結合を概略的に示した、本発明に従って作成された望遠鏡を示す図である。 図４及び５に従う概略図における反射点を有する図７も望遠鏡の凹面曲面鏡を示す図である。 短共振器アーム、長共振器アーム、及びその後ろに結合した望遠鏡を有する共振器におけるレーザー・ビームの通過する（ｍでの）距離ｘに対する横方向におけるレーザー・ビームの（ｍｍでの）半径Ｒの経過を示す図である。 安定性を視野に入れたレーザー・ビームの適合を説明するために、望遠鏡の鏡の間の空間に対するビーム直径の変化を４個の例によって示す図である。 距離ｘに対する横のビーム半径Ｒ’の経過を示す、図９と同様の図である。 距離ｘに対する横のビーム半径Ｒ’の経過を示す、図９と同様の図である。 距離ｘに対する横のビーム半径Ｒ’の経過を示す、図９と同様の図である。 距離ｘに対する横のビーム半径Ｒ’の経過を示す、図９と同様の図である。 距離ｘに対する横のビーム半径Ｒ’の経過を示す、図９と同様の図である。

Claims (6)

1. モードロックを有し、
   異なる長さの２つの共振器アーム（１７，１６）を備える共振器（１２）を有し、前記共振器（１２）は、レーザー結晶（１４）並びに長共振器アーム（１７）並びに短共振器アーム（１６）を規定する複数個の鏡（Ｍ１〜Ｍ７、ＯＣ）を含み、
   １つの鏡（Ｍ１）は、またポンプ・ビーム内結合鏡を形成し、他の鏡（ＯＣ）は、またレーザー・ビーム外結合鏡を形成し、
   共振器長を増加させ且つ１つの共振器アーム（１６、１７）に結合した多重反射望遠鏡（１８）を有し、
   前記望遠鏡は、レーザー・ビーム（１５）が残りの共振器に外結合されて戻るまで前記望遠鏡の２つの鏡（２５、２６）の間で複数回往復して前記鏡（２５、２６）の間の空間に結合されたレーザー・ビーム（１５）を反射するために前記鏡（２５、２６）を用いて構成され、前記鏡（２５、２６）上の連続する離心反射点（１〜８、１’〜８’）は、互いに対してオフセットされた短パルス・レーザー装置（１１）であって、
   前記多重反射望遠鏡（１８）は、
   ただ１つの凹面の球面鏡（２６）並びに１つの平面鏡（２５）を望遠鏡の鏡として有し、前記平面鏡（２５）は、２つの凹面の球面鏡（２６ａ、２６）を有する架空の多重反射配置の中央（２５’）に配置され、２つの凹面の球面鏡のうちの第１の鏡は、前記望遠鏡（１８）の前記凹面の球面鏡（２６）によって形成され、前記平面鏡（２５）に関して前記第１の凹面の球面鏡（２６）と面対称に配置される架空の第２の凹面の球面鏡（２６ａ）が、前記平面鏡（２５）の平面内に位置する軸の周りで、前記第１の凹面の球面鏡（２６）に一致して、前記第１の凹面の球面鏡（２６）に架空に折り返されており、それにより、働きにおいては、前記凹面の球面鏡（２６）は、前記平面鏡（２５）上のレーザー・ビーム（１５）の反射を介して、前記架空の第２の凹面の球面鏡（２６ａ）の前記反射点（１，３，５，７）をも含んでおり、
   前記平面鏡（２５）と前記凹面の球面鏡（２６）との間の距離（Ｌ／２）、及び前記凹面の球面鏡（２６）の曲率半径（Ｒ）が、関係Ｌ／Ｒ＝１ーＳＱＲＴ（（１＋ｃｏｓα）／２）であり、且つ前記反射点の全てが１つの円周上に与えられており、ただし、
   Ｌは、前記凹面の球面鏡（２６）と前記平面鏡（２５）との間の距離の２倍であり、
   Ｒは、前記凹面の球面鏡（２６）の前記曲率半径であり、
   αは、１つの反射点及び前記凹面の球面鏡（２６）上にある次の反射点との間の各中心角である、ことを特徴とする短パルス・レーザー装置（１１）。
2. 前記望遠鏡（１８）の前記凹面の球面鏡（２６）上において、この凹面の球面鏡（２６）の反射点（２，４，６，８）並びに前記架空の第２の凹面の球面鏡（２６ａ）の反射点（１，３，５，７）は、互いに相当する円弧の距離で前記凹面の球面鏡（２６）上の架空の円周上に、交互に配置されることを特徴とする請求項１に記載の短パルス・レーザー装置。
3. 合計８個の反射点（１、２・・・８）が、前記望遠鏡（１８）の前記凹面の球面鏡（２６）上に与えられることを特徴とする請求項１又は２に記載の短パルス・レーザー装置。
4. 前記レーザー・ビーム（１５）に対する内結合鏡及び外結合鏡（２４、２７）が、前記凹面の球面鏡（２６）と前記平面鏡（２５）との間の中央において、前記凹面の球面鏡（２６）と前記平面鏡（２５）との間のビーム・パスの内の１つのパス内に与えられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の短パルス・レーザー装置。
5. 前記望遠鏡（１８）は、前記長共振器アーム（１７）の一部であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の短パルス・レーザー装置。
6. 受動モードロックが与えられることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の短パルス・レーザー装置。

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