JP4984104B2 - 受動モードロックピコ秒レーザー - Google Patents

Description

本発明は超短パルスレーザーに関し、特に受動モードロックピコ秒レーザー（Passively mode-locked picosecond laser generator）に関する。

レーザー技術の迅速な発展及びその応用に対する訴求が増えるにつれ、小型で、構造が緊密し、性能が安定しているフル固体化からなる装置において、ハイパワー、高ビーム品質、高効率、高安定性、並びに、長寿命を有するレーザーを実現するのがレーザー分野の発展方向となる。様々な学科と産業において、超短パルスレーザーに対する訴求が日々増加しており、特に、フェムト秒レーザーより応用の将来性が幅広いピコ秒レーザー（例えば、国防、産業、医療、生物などの分野に用いられる）が挙げられる。よって、高品質、高効率、高安定性を有するピコ秒レーザーを研究製作することが現在重要な研究課題となっている。

従来のモードロックピコ秒レーザー技術では染料モードロックが用いられており、例として、出願番号03114621.Xの標題である「出光時間の高安定性を持つ受動モードロックNd：YAGピコ秒レーザー」との中国特許出願によって開示された技術案が挙げられるが、その電気制御システムが複雑で膨大であり、且つ染料が劇毒を持ち、また、時間が経つにつれて稀釈されるため、交換しなければならず、寿命が短く、プロセシング化に不利である。また、人体にも悪い影響を与えることになる。もう一例の従来のモードロックピコ秒レーザー技術では能動モードロックが用いられており、例としては、出願番号03210775.7の標題である「レーザーダイオードポンピングピコ秒能動モードロック固体平面導波路レーザー」との中国特許出願が挙げられるが、導波路技術の発展が未熟であるため、完成品率が極めて低く、このようなモードロックピコ秒レーザーは、大量生産に向きにくく、且つ、能動モードロックの安定性が低い。また、従来のモードロックピコ秒レーザー技術として、低重合周波数を実現する受動モードロック技術がある。例として、出願番号200520000394.7の標題である「キャビティダンプドフル固体ピコ秒レーザー（cavity-dumped solid-state picosecond laser generator）」との中国実用新案出願を参照できるが、該実用新案ではポッケルスセル（Pockels cell）を用いて、キャビティダンプド巨大パルス振動を実現しているが、SESAMに損傷が大きく、一旦損傷すると回復することができない。

なお、従来技術におけるレーザーキャビティの多くが共焦点キャビティの構造を用いているが、当該構造は性能が安定しているものの、キャビティの長さが比較的に大きいため、構造的に緊密していない。

中国特許出願公開１４４１５２１号 中国特許出願公開２６５５４７７号 中国実用新案出願公開２７６５３４８号

上述のように、従来の技術には、小型で性能が安定している低重合周波数の受動モードロックピコ秒レーザーが存在しない。

本発明は、従来技術の欠点に鑑みて、性能が安定しており、小型で低重合周波数の受動モードロックピコ秒レーザーを提供することを目的とする。

本発明に係る実施例において、ポンプ光源と、レーザー結晶と、レーザーキャビティと、モードロック出力構造と、を備える受動モードロックピコ秒レーザーを提供する。

前記ポンプ光源が、前記レーザ結晶の入射端面側に配置され、前記レーザ結晶を励起（pump）させる。

前記レーザキャビティが、平面反射鏡と第一の平凹ミラーを備え、前記平面反射鏡が第一の平凹ミラーの凹面に対して前記第一の平凹ミラーの焦点半径の位置に配置されて、前記平面反射鏡の法線方向と前記第一の平凹ミラーとの間に小角度の夾角を成す。

前記レーザ結晶から出射されるレーザ光が前記レーザキャビティ内で発振され、さらにモードロック出力構造を経てモードロック出力される。

前記受動モードロックピコ秒レーザーにおいて、前記平面反射鏡の法線方向と前記第一の平凹ミラーの軸線との間の角度をθとし，0°<θ<1°となる。

前記受動モードロックピコ秒レーザーにおいて、前記レーザ結晶が前記第一の平凹ミラーに嵌めつけられてある。

前記受動モードロックピコ秒レーザーにおいて、前記第一の平凹ミラーが一つの凹所を備え、前記レーザ結晶が前記凹所の位置に配置され、前記レーザ結晶の出射端面が前記第一の平凹ミラーの凹面内に位置される。

前記受動モードロックピコ秒レーザーにおいて、前記モードロック出力構造は、平面出力鏡と、第二の平凹ミラーと、半導体可飽和吸収体とを備え、前記平面出力鏡が半透過半反射型ミラーであり、前記レーザ結晶からのレーザ光を受光し、そのレーザ光の一部を前記第二の平凹ミラーに反射して、前記第二の平凹ミラーが、前記平面出力鏡からのレーザ光を反射して、半導体可飽和吸収体に垂直に入射させる。

前記受動モードロックピコ秒レーザーにおいて、前記モードロック出力構造は、第二の平凹ミラーと、半導体可飽和吸収体と、偏振板と、1/4波長板と、45°反射鏡と、を備え、前記偏振板が、前記レーザ結晶からのレーザ光を受光し、前記1/4波長板を経て前記第二の平凹ミラーに向かって反射させて、前記第二の平凹ミラーが、前記偏振板から反射されるレーザ光を受光し、前記半導体可飽和吸収体に垂直に入射するように反射して、前記45°反射鏡が、前記半導体可飽和吸収体に反射し折り返され、前記第二の平凹ミラーと前記1/4波長板とを経て前記偏振板から出射されるレーザ光を受光し、該レーザ光を反射して出力する。

前記受動モードロックピコ秒レーザーにおいて、前記レーザ結晶がNd：YVO4或いはNd：GdVO4とし、その大きさは5mm×5mm×(3mm〜5mm)となる。

前記受動モードロックピコ秒レーザーにおいて、前記第一の平凹ミラーの曲率半径が150mm〜800mmとなる。

前記受動モードロックピコ秒レーザーにおいて、前記レーザ結晶の入射端面には、ポンプ光の波長に対する増透膜と出力光の波長に対する高反射膜がフィルミングされ、前記レーザ結晶の出射端面には、出力光の波長に対する増透膜がフィルミングされてある。

前記受動モードロックピコ秒レーザーにおいて、前記ポンプ光源と前記レーザ結晶の間に配置され、前記ポンプ光源が発射するポンプ光を前記レーザ結晶に集光させるための合焦レンズを備える。

従来の技術と比較すると、本発明は初めて等効果共焦点キャビティからなる安定したキャビティ設計を用い、光路長を増やし、周波数の重合を下げるとともに、キャビティの長さと体積を大いに縮小させた。

また、レーザ結晶がレーザキャビティの凹所に配置される、或いはレーザキャビティの端部に嵌めつけられてあるため、構造的に更に緊密している。

以下の図面は本発明をさらに理解するためのものであり、本出願の内容の一部を構成する。本発明の例示的な実施例及び説明内容は本発明を説明するものであり、本発明を不当に限定するものではない。
図１は、本発明に係る実施例１の受動モードロックピコ秒レーザーを示す平面図である。 図２は、本発明に係る実施例１の受動モードロックピコ秒レーザーの第一の平凹ミラーを示す右視図である。 図３は、本発明に係る実施例２の受動モードロックピコ秒レーザーを示す平面図である。 図４は、光ビームが共焦点キャビティ内と、本発明にかかる実施例の受動モードロックピコ秒レーザーの等効果共焦点キャビテイ内で伝送される場合の対比図である。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。

（実施例１）
図１に示すように、本発明に係る実施例１の受動モードロックピコ秒レーザーは、ＬＤポンプ光源１と、合焦レンズ２と、レーザ結晶３と、平面反射鏡４と、第一の平凹ミラー５（φ=20mm）と、平面出力鏡６と、第二の平凹ミラー７（φ=10mm）と、ＳＥＳＡＭ（半導体可飽和吸収体）８と、を備える。ＬＤポンプ光源１は、レーザ結晶３の入射端面側に配置され、レーザ結晶３を励起（pump）させるのに用いられる。合焦レンズ２はポンプ光源１とレーザー結晶３の間に配置され、ポンプ光をレーザ結晶３に集光させるのに用いられ、ポンプ光の利用率を高める。平面反射鏡４は第一の平凹ミラー５と、間に第一の平凹ミラー５の焦点半径の距離を置いて向かい合い、前記第一の平凹ミラー５とともにレーザキャビティ（等効果共焦点キャビティ）を構成し、平面反射鏡４の法線方向と第一の平凹ミラー５の軸線（水平方向に沿って）の夾角は小さな角度の鋭角とし、該鋭角の大きさはθ（0°<θ<1°）とする。よって、平面反射鏡４に水平に入射される光線は元の経路に沿って折り返されず、小角度2θで反射される。

図２に示すように、第一の平凹ミラー５に3mm-5mmの深さの円弧形の凹所を作る。レーザ結晶３は、第一の平凹ミラー５に密着するように前記凹所部に配置され、また、レーザ結晶３の出射端面は、第一の平凹ミラー５の凹面と概ね一つの円弧形面内に位置し、或いはレーザ結晶３をレーザキャビティの端部（第一の平凹ミラー５）に「嵌めつけ」てもよい。よって、空間を節約することができる。図２に切り取られた凹所を図示しているものの、該凹所はその他の形をとってもよく、前記レーザ結晶３を好適に納めることができればよい。レーザ結晶の大きさは5mm×5mm×(3mm〜5mm)とし、レーザ結晶の入射端面には、ポンプ光の波長（808nm）に対する増透膜と、出力光の波長（1064nm）に対する高反射膜がフィルミングされ、出射端面には、出力光の波長（1064nm）に対する増透膜がフィルミングされてある。本実施例において、レーザ結晶３はNd：YVO4或いはNd：GdVO4を用いることができ、結晶角のカッティングには、垂直偏振光の輸出によるカッティング方法を用いる。その他の場合において、偏振光の輸出が要求されない場合には、Nd:YAG結晶などを用いてもよい。レーザ結晶３の側面はイリジウムフィルムで覆われ、熱銅の固形体内に（図示されていない）おかれ、テンタ（stent）（図示されていない）により前記凹所に固定され、水冷またはTEC（半導体冷却チップ）により温度が制御される。レーザ結晶３は第一の平凹ミラーに「嵌めつけられてある」ため、レーザ結晶３はレーザキャビティの一部を構成して、レーザキャビティの構造が更に緊密するようになっている。

なお、本実施例において、平面出力鏡６と、第二の平凹ミラー７と、SESAM８とがモードロック出力構造を構成し、配置される位置はレーザ光を用いて定めることができる。以下のプロセスの通り定められる。第一の平凹ミラー５の法線方向に並行する方向に沿って一つのレーザビームをレーザ結晶３の中心部から平面反射鏡４へ入射させる。平面出力鏡６は、該レーザビームが等効果共焦点キャビテイ内で連続反射された後の出射光伝送路に配置され、第二の平凹ミラー７は、平面出力鏡６から反射される前記レーザを受光し、SESAM８に垂直に入射させるように反射するのに用いられる。このような定め方法は平面出力鏡６と、第二の平凹ミラー７と、SESAM８との位置を定めるのに用いられる一つの例示的方法であり、当業者であれば、モードロック出力構造の設置に適当な変化を与えてもよく、レーザ光のモードロック出力を実現できればよいことを理解することができる。

本実施例に係る受動モードロックピコ秒レーザーの動作プロセスは以下のとおりである。

LDポンプ光源１が808nmのポンプレーザ光を発射し、該ポンプレーザ光は合焦レンズ２に垂直に入射され、合焦された後、レーザ結晶３の入射端面に垂直に入射され、レーザ結晶３を励起させる。ポンプ光は結晶の動作物質を励起し、その粒子数を反転させ、大量の粒子が累積され、誘導放出を起こす。誘導放出による光がレーザキャビティ内で複数回の反射を起こして、レーザ結晶３の入射面を経て平面出力鏡６に向かって反射され、さらにそこから第二の平凹ミラー７に向かって反射された後、レーザ光はSESAM８に反射される。その後、また第二の平凹ミラー７を経て、平面出力鏡６に入射され、平面出力鏡６から出力される。本例において、誘導放出による光は、平面反射鏡４とφ20mmの平凹ミラーからなる等効果共焦点キャビティ内で８回往復され、即ち光ビームはA-B-C-D-E-F-G-D-Aの順番で伝送され、再びレーザ結晶３の入射端面を経て平面出力鏡に向かって反射される。それから、平面出力鏡６で反射され、第二の平凹ミラー７に伝送された後、SESAM８に光ビームを合焦させ、ピコ秒レーザのモードロックを実現する。

また、システムに用いられる平面出力鏡６は半透過半反射型ミラー（semi-permeable and semi-reflective mirror）であり、一部反射、一部透過することができ、システムの二重経路出力を実現することができる。平面出力鏡６のレーザ光透過率は5%-15%であり、設置される角度は、レーザ結晶３から受光するレーザ光の入射角が30°より小さいように保証しなればならず、これは小角度の反射の損傷が小さいためである。レーザ光は共振モードロックを実現した後、発振過程において、レーザ結晶３から入射するレーザ光部分を透過させ出力１とし、第二の平凹ミラー７から入射するレーザ光部分を透過させ出力２とし、結果的に二重経路モードロックピコ秒出力を実現する。該二重経路出力光は信号光の拡大を実現し、周波数倍増レーザの出力を得るのに用いられる。

（実施例２）
図３に示すように、本発明に係る実施例２の受動モードロックピコ秒レーザーは、LDポンプ光源１と、合焦レンズ２と、レーザ結晶３と、平面反射鏡４と、第一の平凹ミラー５と、第二の平凹ミラー７と、SESAM８と、偏振板９と、1/4波長板１０と、45°反射鏡１１と、を備える。本実施例において、LDポンプ光源１と、合焦レンズ２と、レーザ結晶３と、平面反射鏡４と、第一の平凹ミラー５とが、実施例１と同等の方法で配置される。

第二の平凹ミラー７と、SESAM８と、偏振板９と、1/4波長板１０と、45°反射鏡１１とがモードロック出力構造を構成し、配置される位置はレーザ光を用いて定めることができる。定めるプロセスは以下のとおりである。第一の平凹ミラー５の法線方向に平行する方向に沿って一つのレーザビームをレーザ結晶３の中心部を経て平面反射鏡４に入射させる。偏振板９は、該レーザビームが等効果共焦点キャビティ内での連続反射された後の出射光の伝送路に配置され、該レーザビームを1/4波長板１０を経て第二の平凹ミラー７に向かって反射し、第二の平凹ミラー７は偏振板９から反射される前記レーザ光を受光し、SESAM８に垂直に入射するように反射するのに用いられ、45°反射鏡１１はSESAM８で反射し折り返され、第二の平凹ミラー７と1/4波長板１０を経て偏振板９から出射されるレーザ光を受光し、前記レーザ光を反射し、出力とする。このような定め方法は、第二の平凹ミラー７と、SESAM８と、偏振板９と、1/4波長板１０と、45°反射鏡１１との位置を定めるのに用いられる一つの例示的方法であり、当業者であれば、モードロック出力構造の設置に適当な変化を与えてもよく、レーザのモードロック出力が実現できればよいことを理解することができる。

本実施例において、レーザ結晶３はNd：YVO4或いはNd：GdVO4を用いることが可能であり、結晶角のカッティングには垂直偏振光の出力によるカッティング方法を用いている。よって、レーザ結晶３は垂直偏振光を出力し、該垂直偏振光は平面反射鏡４と第一の平凹ミラー５からなる等効果共焦点キャビティ内で８回往復され、再びレーザ結晶入射端面を経て偏振板９に向かって反射される。レーザ光は偏振板９（その法線方向と入射光ビームがブリュースター角（Brewster angle）（概ね57°に等しい）を成すように配置）で反射され、1/4波長板１０を垂直に通過し、1/4波長板１０を通った後、円形偏振光に変わり、第二の平凹ミラー７を経て光ビームをSESAMに合焦させ、ピコ秒レーザモードロック（但し、第二の平凹ミラー７の焦点距離は10mmであり、SESAM表面寸法は3mm×3mmである）を実現する。光ビームはSESAM８の反射を経て元の経路に沿って折り返され、第二の平凹ミラー７での反射を経て1/4波長板１０を垂直に通過し、円形偏振光を水平偏振光に変え、水平偏振光は偏振板９を透過し出力される。そこからさらに45°反射鏡１１の反射を経てシステムの光伝送路に沿って水平に出射され、モードロックピコ秒水平偏振光出力を実現する。システムの体積を縮小し、機械の構造設計に便利である。

図４は、光ビームが、従来技術において用いられる共焦点キャビティ内と本発明に係る実施例の受動モードロックピコ秒レーザーの等効果共焦点キャビティ内とで伝送される場合の対比図である。図面によると、光ビームが平面反射鏡と第一の平凹ミラー（φ=20mm）からなる等効果共焦点キャビティ内で８回往復され、第一の平凹ミラー５の曲率半径は150mm〜800mmとし、直径は20mmとする。よって、該等効果共焦点キャビティを備えるピコ秒レーザー共振キャビティの総光路長は1m〜6mとなり、ピコ秒パルス重合周波数は25MHz〜150MHzとなる。該等効果共焦点キャビティは体積が共焦点キャビティより半分小さい場合において、ほぼ同等な光路長を持ち、低重合周波数を実現し、また、このような等効果共焦点キャビテイはキャビティの安定化を図る特性をもっており、性能が安定している。

本発明は初めて等効果共焦点キャビティのキャビティ安定設計を用いており、光路長を増やし、周波数の重合を低減し、且つキャビテイの長さと体積を大いに縮小させた。また、本発明はレーザ結晶をレーザキャビティの端部に「嵌めつける」ことで、レーザキャビテイの一部を構成させ、空間を大いに節約することができ、よってレーザーの構造が更に緊密するようにしている。

以上説明した内容はただ本発明の好適な実施例であり、本発明を限定するものではない。本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変更と変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。

１ ＬＤポンプ光源
２ 合焦レンズ
３ レーザ結晶
４ 平面反射鏡
５ 第一の平凹ミラー
６ 平面出力鏡
７ 第二の平凹ミラー
８ ＳＥＳＡＭ（半導体可飽和吸収体）
９ 偏振板
１０ 1/4波長板
１１ 45°反射鏡

Claims (9)

1. ポンプ光源と、レーザ結晶と、レーザキャビティと、モードロック出力構造と、を備え、
   前記ポンプ光源が、前記レーザ結晶の入射端面側に配置され、前記レーザ結晶を励起させて、
   前記レーザキャビティが、平面反射鏡と第一の平凹ミラーを備え、前記平面反射鏡が第一の平凹ミラーの凹面に対して前記第一の平凹ミラーの凹面の焦点に配置されて、前記平面反射鏡の法線方向と前記第一の平凹ミラーの軸線との間に小角度の夾角を成して、
   前記レーザ結晶から出射されるレーザ光が前記レーザキャビティ内で発振され、さらにモードロック出力構造を経てモードロック出力されて、
   前記平面反射鏡の法線方向と前記第一の平凹ミラーの軸線との間の角度をθとすると、０°＜θ＜１°であり、
   前記ポンプ光源からの入射光がポンプ光である場合に、前記ポンプ光が前記レーザ結晶に垂直に入射される受動モードロックピコ秒レーザー。
2. 前記レーザ結晶が前記第一の平凹ミラーに嵌めつけられてある
   ことを特徴とする請求項１に記載の受動モードロックピコ秒レーザー。
3. 前記第一の平凹ミラーが一つの凹所を備え、前記レーザ結晶が前記凹所の位置に配置され、前記レーザ結晶の出射端面が前記第一の平凹ミラーの凹面内に位置される
   ことを特徴とする請求項１に記載の受動モードロックピコ秒レーザー。
4. 前記モードロック出力構造は、平面出力鏡と、第二の平凹ミラーと、半導体可飽和吸収体とを備え、
   前記平面出力鏡が半透過半反射型ミラーであり、前記レーザ結晶からのレーザ光を受光し、そのレーザ光の一部を前記第二の平凹ミラーに反射して、
   前記第二の平凹ミラーが、前記平面出力鏡からのレーザ光を反射して、半導体可飽和吸収体に垂直に入射させる
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の受動モードロックピコ秒レーザー。
5. 前記モードロック出力構造は、第二の平凹ミラーと、半導体可飽和吸収体と、偏振板と、1/4波長板と、45°反射鏡と、を備え、
   前記偏振板が、前記レーザ結晶からのレーザ光を受光し、前記1/4波長板を経て前記第
   二の平凹ミラーに向かって反射させて、
   前記第二の平凹ミラーが、前記偏振板から反射されるレーザ光を受光し、前記半導体可飽和吸収体に垂直に入射するように反射して、
   前記45°反射鏡が、前記半導体可飽和吸収体に反射し折り返され、前記第二の平凹ミラーと前記1/4波長板とを経て前記偏振板から出射されるレーザ光を受光し、該レーザ光を
   反射して出力する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の受動モードロックピコ秒レーザー。
6. 前記レーザ結晶がNd：YVO4或いはNd：GdVO4とし、その大きさは5mm×5mm×(3mm〜5mm)
   となる
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の受動モードロックピコ秒レーザー。
7. 前記第一の平凹ミラーの曲率半径が150mm〜800mmとなる
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の受動モードロックピコ秒レーザー。
8. 前記レーザ結晶の入射端面には、ポンプ光の波長に対する増透膜と出力光の波長に対する高反射膜がフィルミングされ、
   前記レーザ結晶の出射端面には、出力光の波長に対する増透膜がフィルミングされている
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の受動モードロックピコ秒レーザー。
9. 前記ポンプ光源と前記レーザ結晶の間に配置され、前記ポンプ光源が発射するポンプ光を前記レーザ結晶に集光させるための合焦レンズを備える
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の受動モードロックピコ秒レーザー。

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