JP5456992B2 - モード同期固体レーザ装置 - Google Patents

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Description

本発明は固体レーザ装置、特に詳細には、小型で高出力かつ高効率の短パルス動作が可能なモード同期固体レーザ装置に関するものである。
従来、半導体レーザ（LD）を励起光源とし、それにより、希土類イオンあるいは遷移金属イオンを添加した固体レーザ媒質（レーザ結晶、セラミクス、ガラス等）を励起する固体レーザが活発に開発されている。その中でも、ピコ秒からフェムト秒領域のいわゆる短パルス光を発生する短パルスレーザは、医療、バイオ、機械産業、計測など、多岐にわたる応用分野が模索、提案され、実証を経て、一部実用化されている。
この種のレーザは、モード同期と呼ばれる動作により短パルスを発生している。モード同期とは、簡単に言えば、レーザ発振の際、周波数領域で見ると多数の縦モードの位相が全て同期しており（相対位相差＝０）、このため縦モード間のマルチモード干渉により、時間領域では極めて短いパルスとなる現象である。固体レーザでは、半導体可飽和吸収ミラー（Semiconductor Saturable Absorbing Mirror; 以下、SESAMという）によるモード同期が、簡便さ、低コスト、小サイズ、さらに自己開始するという特長が有ることから、精力的に研究開発されている。
特に、モード同期の一つの形態であるソリトン型モード同期では、レーザ共振器内の負の群速度分散と、主にレーザ媒質での自己位相変調が組み合わさって、フェムト秒領域のパルス発生を可能としている。より詳しく言うと、ソリトン型モード同期とは、可飽和吸収ミラーによりモード同期が始動してパルスを維持安定化させるとともに、負の群速度分散と自己位相変調がバランスすることによるソリトンパルス形成を経てモード同期パルスの急峻化が起こり、安定なパルス発生を可能とするものである（非特許文献１，３参照：ソリトン型モード同期の定義）。
なお、このソリトン型モード同期を実現する固体レーザ装置は、基本的に、固体レーザ媒質、可飽和吸収ミラーおよび負分散素子（負群速度分散素子）を共振器内に備えて構成される。
図１９に、非特許文献１に示されている、従来のYbを添加したソリトン型モード同期固体レーザ（固体レーザ媒質はYb:KGd(WO4)2）の典型的な構成を示す。この図において、80は例えば波長980ｎｍの励起光を発する励起光源、81は１対設けられた励起光源80のそれぞれに対応して設けられた入力光学系、83は固体レーザ媒質、M1、M2は共振器を構成する例えば曲率半径20ｃｍの１対の凹面ミラー、84も曲率半径20ｃｍの凹面ミラー、85はSESAM、86および87はプリズム対を構成する例えばSF10ガラスからなるプリズム、88はナイフエッジ板、89は例えば透過率4.3％の出力カプラーである。
この種のモード同期固体レーザ装置において一般的には、レーザ媒質での共振器スポットサイズ（モード半径ωＬ）および、SESAMでのスポットサイズ（モード半径ωA）を小さくするために、凹面ミラーM1、M2および84にて共振器モードを別々に絞り込む構成が採られている。
このように、レーザ媒質上およびSESAM上におけるスポットサイズ（発振光のビーム半径）を小さくする理由は下記の２つである。まず第１の理由はレーザ発振閾値を低減するためであり、第２の理由はソリトンモード同期条件を満たすためである。
まず第１の理由について説明する。レーザ発振閾値Ｐthは、下記式（１）のように表される（非特許文献２参照）。
ただし、ωP：固体レーザ媒質中での励起光ビーム半径、ｈνp：励起光フォトンエネルギー、σ：固体レーザ媒質の誘導放出断面積、τ：上準位寿命、ηa：吸収効率、ｆ1：下準位の占有率、ｆ2：上準位の占有率、Ｌi：共振器内部損失、ＴOC：出力鏡透過率、Ｎ0：希土類イオン添加濃度、ls：結晶長である。
式（１）から、発振閾値を小さくするには、固体レーザ媒質中での発振光ビーム半径ωLと励起光ビーム半径ωPを小さくすれば良いことがわかる。
非特許文献３では、ソリトン型モード同期レーザにおいて、Qスイッチ動作が混在したモード同期（Qスイッチモード同期）が、ある条件下で生じることが指摘されている。Qスイッチモード同期とは、Qスイッチパルス（周波数１ｋＨｚ〜数100ｋＨｚ、パルス幅がマイクロ秒からナノ秒）のロングパルスの中に、モード同期パルス列（周波数10ＭＨｚ〜１ＧＨｚ、パルス幅がピコ秒からフェムト秒）が並ぶ場合をいう。
この動作モードは、出力やパルス幅、パルス周期の安定性に欠けるので、エネルギー応用以外では一般的には望ましくない。非特許文献３によれば、可飽和吸収ミラーを用いたソリトン型モード同期において、Qスイッチ動作を生じさせない条件は、以下の式(2)のように表される。
ここで、ＥP：共振器内部パルスエネルギー、ΔＲ：可飽和吸収ミラーの吸収変調深さ、Ｆsat,A：可飽和吸収ミラーの飽和フルーエンス、Ｆsat,L (＝ｈν/σ)：レーザ媒質の飽和フルーエンス、ｈν：レーザ光子エネルギー、Ａeff,A （＝πωA 2）：可飽和吸収ミラーにおける発振光ビーム断面積、Ａeff,L (＝πωL 2)：レーザ媒質における発振光ビーム断面積、ｇ：レーザ媒質のレーザ利得、
（ｎ2：レーザ媒質の非線形屈折率、Ｄ：共振器全体での一往復の群速度分散（Ｄ＜０）、λ0：発振光の中心波長、ΔνG：利得帯域幅）
である。各ビーム断面積を小さくし、(2)式を満たすようなパルスエネルギーＥPが発振器で実現できれば、Qスイッチ不安定性の無い、いわゆるCWモード同期が実現できることが知られている。なお、(2)式において、左辺＝右辺としたときのＥPの解がモード同期閾値であり、(2)式を満たすとは、ＥPをそのモード同期閾値よりも大きくなるように設定することをいう。
以上説明したレーザ発振閾値、およびCWモード同期閾値に関する２つの条件から、レーザ媒質、SESAMにおいてビーム断面積を縮小する必要がある。従来のモード同期固体レーザの場合、レーザ媒質を２枚の凹面ミラー（図１９の例ならばM1,M2；通常、曲率半径100〜200ｍｍのものが用いられる）により挟み込んでビームを絞り込み、かつ、SESAMでも凹面ミラーで集光する構成が多く採用されている。
具体的な装置のサイズとしては、凹面ミラーとレーザ媒質、SESAMとの間は曲率半径の半分程度の距離に設定するので、これだけで、150ｍｍ（曲率半径100ｍｍの場合）〜300ｍｍ（曲率半径200ｍｍの場合）程度の長さを必要とする。さらに負分散素子などの挿入スペースを考えると、500ｍｍ〜１ｍ級の共振器長が必要になり、このことがレーザ装置サイズの大型化を招く。なお図１９の構成では、負分散はプリズム86、87からなるプリズム対により与えられ、プリズム間隔は450ｍｍである。一般的に、固体レーザにおいてメートル級の共振器を組んだ場合、安定動作は難しく、この点から、従来装置はレーザ発振動作の安定性が低いものとなっていた。また、光学部品を多く備えることは、即ち高コストであるという問題もあった。
そのため、モード同期固体レーザ装置においては、レーザ発振動作の安定を図るため装置の小型化が望まれている。
一方、特許文献１には、図２０に示すように、固体レーザ媒質101とSESAM102とから共振器を構成する小型のレーザ装置100が提案されており、固体レーザ媒質101とSESAM102がリング108を介して所定間隔103空けて配置され、その間隔103がＧＴＩ（Gires-Tournois干渉計）として作用して負分散を生じさせる構成が開示されている。装置100においては、レーザ媒質101の一端面104が曲面とされ、ここに所定のコートが施されて出力ミラー105として機能するものとされており、この出力ミラー105から励起光106が入射され、出力光107が出射される構成となっている。
特許文献２には、レーザ媒質、可飽和吸収体、あるいは出力ミラーにチャープミラーコーティング（負分散コート）を備えることが提案されており、例えば、図２１に示すように、レーザ媒質111の一端面に可飽和吸収体ミラー112がコーティングされており、このレーザ媒質111の一端面と負分散ミラーであるチャープミラー113のミラー面で共振器を構成する小型のレーザ装置110が提案されている。図２１の装置110では、レーザ媒質111に対して励起用の半導体レーザ114から励起光115を入射し、チャープミラー113から出力光116を取り出す構成となっている。
このように、特許文献１では、固体レーザ媒質とSESAMを近接配置することにより装置を小型化することが提案されており、特許文献２では、固体レーザ媒質に可飽和吸収体ミラー112をコーティングすると共に負分散ミラーが出力ミラーを兼ねる構成とすることで光学部品を低減し装置を小型化することが提案されている。
負分散素子としては、一般に、プリズム対、回折格子対、負分散ミラーなどの１つもしくは複数の組み合わせが用いられているが、特許文献２で提案されているように、装置の小型化の面で負分散ミラーが出力ミラーを兼ねることが望ましい。
負分散ミラーとしては、特許文献２で挙げられている長波長側の光と短波長側の光との侵入深さの違いを利用して負分散補償を行うチャープ型のミラーと、その他全反射ミラーと部分反射ミラー間での光の干渉を利用して負分散補償を行うＧＴＩ型のミラーとが一般に知られている。
チャープ型ミラーの典型例としては、相対的に高い屈折率を有する高屈折率層と、相対的に低い屈折率を有する低屈折率層とが交互に積層されたミラーにおいて、高屈折率層の光学膜厚および低屈折率層の光学膜厚がそれぞれ積層方向に直線的に変化するように積層されているもの（例えば、非特許文献４参照）が挙げられる。
一方ＧＴＩ型ミラーは、誘電体多層膜の内部に共振構造を備えたことを特徴とするものであり（例えば、非特許文献５参照）、多層膜内部にキャビティ層を２層備えたダブルＧＴＩ構造のミラー（特許文献３参照）あるいはキャビティ層はないが共振構造を有するよう、多層膜を構成する各層の光学膜厚は何らかの規則に沿った変化をするように構成されているミラー（特許文献４）なども提案されている。
また、特許文献５には、２種類以上の異なる屈折率層を交互に積層した誘電体多層膜スタックが２スタック以上積層され、各スタックの中心波長が異なるようにすることで２次のみならず、３次以上の分散補償を行うことを特徴とする誘電体多層膜が提案されており、特許文献６には、可視光帯域における反射率が９５％以上であり、最外膜の屈折率が最外膜直下の膜の屈折率よりも低く、負群速度分散を生じさせるよう構成された多層膜ミラーが提案されている。
米国特許7,106,764号明細書 特開平11-168252号公報 特表２００２−５２８９０６号公報 特表２００２−５２３７９７号公報 特開平２−２３３０２号公報 特開２０００−１３８４０７号公報 Optics Letters, vol.25 no.15 pp.1119-1121, 2000 Applied Optics, vol. 36 no.9, pp.1867-1874, 1997 Journal of Optical Society of America, vol. 16 no. 1, p.46-56, 1999 R. Szipoecs他、Optics Letters, Vol.19, 201(1994) IEEE Transaction on Quantum Electronics, vol. 22, no.1 (1986) pp. 182-185
既述の通り、モード同期固体レーザ装置の小型化を図る場合、固体レーザ媒質とSESAMを近接して配置すること、および負分散ミラーを出力ミラーとして用いることが考えられる。
特許文献２においては、出力ミラーに負分散機能を有するチャープミラーコーティングを施した負分散ミラーを用いることが提案されているが、特許文献２では、出力ミラーとして用いる場合の光透過率、負分散量などについての具体的な記載がされておらず、また、ミラーを構成する誘電体膜についての具体的な記載がなく、文献２の開示から実施可能とは言えない。また、特許文献６においては、出力ミラーに誘電体多層膜を設けることによって周波数チャープ補償ができる旨の記載がある一方、具体的な実施例として挙げられている多層膜の反射率は99.9％以上でほぼ100％のものであることから、ほとんど出力光が得られず、出力ミラーとしての機能するものではない。
また、市販されている、負分散素子の負分散量は数十〜数百fsec2であることから、十分な負分散補償を行うためには、共振器内に複数の負分散素子を備える必要があり、装置の小型化、安定化を十分に図ることができないという問題があった。
また一方、特許文献１および特許文献２などのように、反射ミラーである可飽和吸収ミラーとレーザ媒質とを近接あるいは接触して配置した場合、下記のような問題がある。レーザ共振器の中で、利得媒質であるレーザ媒質の光軸上の位置により、いわゆる空間ホールバーニング効果の生じ方に差異が生じ、それがモード同期現象と結合して、モード同期の安定性に影響を与えることが、Applied Physics B vol.72 pp.267-278, 2001（以下、参考文献１という）や、さらには文献Applied Physics B vol.61 pp.429-437, 1995および文献Applied Physics B vol.61 pp.569-579, 1995により知られている。
共振器を構成する反射ミラー面においては、内部に存在する光波電界の位相とびが生じ、電界強度が零になる「節」が存在する。レーザ媒質を反射ミラー近傍に配置した場合、レーザ媒質の中には、この位相飛びから来るレーザ光波強度の空間的な縞が生じる。これが空間ホールバーニングである。
参考文献１では、反射ミラー近傍にレーザ媒質が配置された場合、利得スペクトル上に凹みが生じ、これが内部を周回しているソリトンパルスの不安定性を生じさせると記載されている。より詳しくは、反射ミラー近傍では空間ホールバーニング効果がより強く発現するため、レーザ媒質中に生じる空間ホールバーニングによる利得の縞模様が、レーザ共振器中を周回しているレーザパルス（ここでは、ソリトンパルスのためパルス帯域が比較的広い）の周波数領域での利得スペクトルの変調に繋がり、これが、ひいては所望のパルスと競合する現象（シフトパルス、ダブルパルス、CWバックグラウンド）の方に優先的に利得を与え、これにより、所望のソリトンパルスが競合に負け、上記の望ましくないパルス現象が生じ、不安定となるのである。
従って、特許文献１および特許文献２などのように、反射ミラーである可飽和吸収ミラーとレーザ媒質とを近接あるいは接触して配置した場合、空間ホールバーニング効果が顕著に起こり、ソリトンパルスが著しく不安定になると考えられる。
しかしながら、特許文献１および２には、空間ホールバーニング効果によるモード安定性への影響について何ら記載されておらず、モード安定性を図る方策が開示されていない。
すなわち、モード同期固体レーザ装置を小型化するに当たり、小型化を達成するための構成提案はなされているが、小型化した構成において、ソリトンパルスを安定して発生させるための条件が明確にされておらず、また、出力ミラーとして機能すると共に、一素子で十分な負分散補償を行うことができる負分散ミラーを実現した例は明らかにされておらず、小型なモード同期固体レーザ装置は実現されていない。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、モード同期動作を安定させることができる条件を明確にし、小型、低コストでかつ安定性が高く、フェムト秒領域のCWモード同期を実現できるモード同期固体レーザ装置を提供することを目的とする。
本発明の固体レーザモード同期装置は、一端を出力ミラーにより構成されてなる共振器と、前記共振器内に配置された固体レーザ媒質と、可飽和吸収ミラーとを備えたモード同期固体レーザ装置において、
前記固体レーザ媒質と前記可飽和吸収ミラーとが、両者間の距離がレーリ長の２倍以下となるように配置されており、
前記可飽和吸収ミラーの吸収変調深さΔＲが0.4％以上であり、
下記関係式で表される、前記共振器内を所定の波長の光が一往復した場合の共振器内全分散量の絶対値｜Ｄ｜（ただしＤ＜０）が、前記可飽和吸収ミラーにより基本周期のソリトンパルス以外の動作様式が抑制可能なパルス帯域内に設定されており、
前記出力ミラーが、基板上に誘電体多層膜構造を有してなる負分散ミラーであって、前記多層膜構造が、それぞれ複数の層が積層されてなる２つのミラー機能層部、および該２つのミラー機能層部間に挟まれて配されて該２つのミラー機能層部間で前記所定の波長の光の共振を生じさせるキャビティ層から構成され、前記所定の波長の光に対して、ミラー分散量が−3000fsec2〜−600fsec2であり、かつ、反射率が97％〜99.5％であることを特徴とするものである。なお、以下においてはfsecを単にfsと示すことがある。
（ただし、τP：パルス幅、λ0：中心波長、Ａeff,L (＝πωL 2)：レーザ媒質における発振光ビーム断面積、ｎ2：レーザ媒質の非線形屈折率、ls：レーザ媒質の結晶長、ＥP：共振器内部パルスエネルギー）
すなわち、本発明者らは、モード同期固体レーザ装置の小型化を図る過程において、レーザ媒質とSESAMとをレーリ長以下で配置することにより、レーザ媒質上にビームウエストを形成しない構成であっても、ソリトンモード同期パルスを発生可能であることを見いだした。
また、本発明者らは、装置を小型に構成した場合において、モードの安定性のために、可飽和吸収ミラーの吸収変調深さ、および共振器内全分散量に、所定の制限があることを見いだし、これを明確にした。これらの可飽和吸収ミラーの吸収変調深さΔＲおよび共振器内全分散量Ｄの条件は、モード同期の安定性に関して仔細に検討した結果見出したものである。
また、装置の小型化を図るために負分散ミラーを出力ミラーとして用いる（あるいは出力ミラーを負分散ミラーとして用いる）ためには、レーザ出力を取り出すための透過率と、安定動作を得るための共振器内全分散量を実現するミラー分散量とを備えた負分散ミラーを実現する必要があることを見いだした。
上記の「レーリ長」とは、ｚR＝πωA 2/λで規定される値であり、発振光ビーム半径が、ビームウエスト（この場合、ωA）の√２倍になる、ビームウエストからの光軸方向距離である。また、前記可飽和吸収ミラーと固体レーザ媒質との距離が「レーリ長の２倍以下」とは、両者の距離が０である場合、すなわち、可飽和吸収ミラーと固体レーザ媒質とが密着する場合を含むものとする。
また、上記「基本周期のソリトンパルス以外の動作様式」とは、共振器において基本ソリトンパルスと競合して生じるダブルパルス、またはCWバックグラウンドなどの競合パルスを意味するものである（図２参照）。
図２と表１を参照して、基本ソリトンパルスに競合して生じる競合パルスを簡単に説明する。シフトパルスとは、基本ソリトンパルスと比較し、パルス帯域、パルスエネルギーは等しいが中心周波数がδνshiftだけシフトしたものである。CWバックグラウンドとは、時間領域ではパルスではなくCW（連続波）動作している成分であり、スペクトル上は狭線幅である。ダブルパルスとは、基本ソリトンパルスの1/2のエネルギー、1/2のパルス帯域を持つ２個のパルス列のことである。全て基本ソリトンから周波数シフトしているが、図２では説明を簡単にするために、CWバックグラウンドとダブルパルスについてはシフト量を零として描いている。
なお、シフトパルスは、可飽和吸収ミラーの吸収変調深さにより抑制できないパルスであり、上記における「基本周期のソリトンパルス以外の動作様式」には、シフトパルスを含まないものとする。
共振器内全分散量Ｄは、パルス幅（なお、パルス幅はパルス帯域に逆比例する）との関係において上記式のように表され、0.4％以上の所定値に設定された、可飽和吸収ミラーの吸収変調深さにおいて、空間ホールバーニング効果により生じる競合パルス（ダブルパルスおよびＣＷバックグラウンド）が抑制されるパルス帯域から求められる範囲に設定する。
上記負分散ミラーにおいて、ミラー分散量が−3000fs2〜−600fs2であるとは、−3000fs2以上、−600fs2以下の範囲内の所定の値であることを意味し、同様に反射率が97％〜99.5％であるとは、97％以上、99.5％以下の範囲内の所定の値であることを意味する。
また、本発明によるモード同期固体レーザ装置においては、固体レーザ媒質を励起する励起光が、共振器光軸に対して斜め方向から入射し、該光軸上またはその延長上に配置された、固体レーザ発振光を透過させるダイクロイックミラーで反射してこの光軸方向に進むように構成されていることが望ましい。なお、上記「斜め方向からの入射」とは、光軸と垂直な方向からの入射も含むものとする。
また、本発明のモード同期固体レーザ装置においては、固体レーザ媒質として、希土類が添加されたものが適用されることが好ましい。そのような希土類としては、イッテルビウム（Yb）、エルビウム（Er）、あるいはネオジム（Nd）が挙げられる。
さらに、上述のように希土類が添加された固体レーザ媒質の好ましい例としては、Yb:YAG（Y3Al5O12）、Yb:KYW（K(WO4)2）、Yb:KGW（KGd(WO4)2）、Yb:Y2O3、Yb:Sc2O3、Yb:Lu2O3、Er,Yb：ガラス、Nd：ガラス等が挙げられる。
他方、本発明のモード同期固体レーザ装置においては、共振器が直線型のものとして構成されることが望ましい。
また、本発明のモード同期固体レーザ装置においては、共振器モードウエスト直径が100μｍ以下であることが望ましい。なお、この「直径」は、光の進行方向に垂直な断面のビーム強度分布において、光強度が最大強度の１/ｅ2以上である領域で定義するものとする。
さらに、本発明のモード同期固体レーザ装置において、固体レーザ媒質がYb:KYWである場合は、共振器内全分散量Ｄが−2500fsec2以上0 fsec2未満の範囲にあることが望ましい。
一方、固体レーザ媒質がYb:KGWである場合は、共振器内全分散量Ｄが−5750 fs2以上0 fs2未満の範囲あることが望ましい。
また、固体レーザ媒質がYb:YAGである場合は、共振器内全分散量Ｄが−1750 fs2以上0 fs2未満の範囲あることが望ましい。
また、固体レーザ媒質がYb:Y2O3である場合は、共振器内全分散量Ｄが−3250 fs2以上0 fs2未満の範囲にあることが望ましい。
また、固体レーザ媒質がYb:Lu2O3である場合は、共振器内全分散量Ｄが−3000 fs2以上0 fs2未満の範囲にあることが望ましい。
また、固体レーザ媒質がYb:Sc2O3である場合は、共振器内全分散量Ｄが−3000 fs2以上0 fs2未満の範囲にあることが望ましい。
さらに、固体レーザ媒質がEr,Yb:ガラスである場合は、共振器内全分散量Ｄが−1200 fs2以上0 fs2未満の範囲にあることが望ましい。
共振器内全分散量Ｄの好ましい範囲は固体レーザ媒質によって異なる。一方、共振器内に配置されるレーザ結晶や、各種コーティングなどは一般に正の群速度分散を呈し、光学部品数を最小とした共振器においても、総計＋100fs2〜＋500fs2の正の分散が生じる。負分散ミラーとして、ミラー分散量が−3000fs2〜−600fs2のものを用い、各固体レーザ媒質において好ましい共振器内全分散量Ｄを満たすために、必要に応じて、所望の正の分散量を有する石英基板などを共振器内に挿入してもよい。
本発明のモード同期固体レーザ装置において共振器長は、好ましくは200ｍｍ以下、より好ましくは100ｍｍ以下、さらに好ましくは75ｍｍ以下、さらに好ましくは50ｍｍ以下とされる。
なお、負分散ミラーとしては、前記基板として凹面を有するものを用い、前記多層膜構造を該凹面に設けることが好ましい。
また、負分散ミラーとしては、前記分散量および前記反射率が前記所定の波長を含む10ｎｍ以上の帯域幅を有するものであること、すなわち、前記所定の波長を中心として10ｎｍ以上の帯域幅に対して分散量が−3000fs2〜−600fs2の範囲の所定値、かつ、反射率が97％〜99.5％の範囲の所定値であることが望ましい。
さらに、前記所定の波長は、所望の値に設定可能であるが、特に、1000ｎｍ〜1100ｎｍの範囲にあることが好ましい。
また、前記所定の波長をλとしたとき、前記キャビティ層の光学膜厚が、λ／２以上の厚さであることが好ましい。さらに、光学膜厚は１０λ程度までが好ましい。特には、２λ〜４λ程度の厚みであることが好ましい。
前記所定の波長をλとしたとき、前記ミラー機能層を構成する各層の光学膜厚が、λ／８以上かつλ／２未満の厚さであることが好ましい。
前記ミラー機能層は、相対的に高い屈折率を有する層と、相対的に低い屈折率を有する層とが交互に８層以上積層されてなるものであることが好ましい。
前記キャビティ層を、前記高い屈折率を有する層、あるいは前記低い屈折率を有する層と同一の材料で構成することが好ましい。
前記高い屈折率を有する層は、例えば、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｙ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｃｅ、ＰｒまたはＴａの酸化物、およびＺｎの硫化物から選ばれる１つ、または、これらの１つもしくは複数を含む混合物または化合物からなるものとすることができる。ここで、１つもしくは複数を含む混合物または化合物とは、先に列挙している酸化物、硫化物以外のものを含んでもよいが、ここに挙げた酸化物、硫化物の１つもしくは複数を主要成分として（全体の５０重量％以上）含むものとする。
また、前記低い屈折率を有する層は、Ｓｉの酸化物、およびＣａ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｔｈ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｌａ、ＹまたはＺｒのフッ化物から選ばれる１つ、または、これらの１つもしくは複数を含む混合物または化合物からなるものとすることができる。ここで、１つもしくは複数を含む混合物または化合物とは、先に列挙している酸化物、フッ化物以外のものを含んでもよいが、ここに挙げた酸化物、フッ化物の１つもしくは複数を主要成分として（全体の５０重量％以上）含むものとする。
本発明のモード同期固体レーザ装置は、固体レーザ媒質と可飽和吸収ミラーとがレーリ長の２倍以下の距離で近接あるいは密着配置されていることにより、レーザ媒質中に発振光のビームウエストを形成することなく、レーザ媒質中で必要とされるビーム断面積を達成することができる。
一方、レーザ媒質とSESAMとを近接させることにより空間ホールバーニングの影響により競合パルスのソリトンパルスに対する利得優位度が大きくなり、ソリトンパルスを安定して発生できなくなるという恐れがあるが、本発明者らは、本発明のように、可飽和吸収ミラーの吸収変調深さを０．４％以上とし、上述の式を満たす共振器内全分散量｜Ｄ｜を、該可飽和吸収ミラーにより競合パルスを抑制することが可能なパルス帯域となる所定値とすることにより、安定したソリトンモード発振を行うことが可能であることを見いだした。共振器内分散量Ｄとしては、場合によっては−数千fsec2程度を必要とすることを明らかにした。従来においては、小型に構成したモード同期固体レーザ装置を安定に動作させる共振器内全分散量Ｄと可飽和吸収ミラーの吸収変調深さΔＲの条件が明確にされておらず、安定性の高い小型のモード同期固体レーザ装置の実現が困難であった。本発明の上記条件を満たすことにより、安定にソリトンモードを実現することができるモード同期個体レーザ装置を実現することができる。
負分散ミラーを出力ミラーとして使用すれば、レーザ装置全体のサイズを小型化出来ることは特許文献２からも明らかであったが、出力ミラーとして機能する負分散ミラーの具体的な開示例はなかった。一方、本発明者らは、レーザ出力を最適に取り出すためには、レーザ利得と共振器内損失から計算される最適透過率として、出力ミラーとなる負分散ミラーの透過率を0.5%（反射率99.5%）〜3%（反射率97%）とし、また、モード同期安定性のための共振器内全分散量の条件を達成することができるミラー分散量として−3000fs2〜−600fs2を示す負分散ミラーを実現した。
本発明の装置において、出力ミラーが、所定の波長の光に対して、ミラー分散量が−3000fs2〜−600fs2であり、かつ、反射率が97％〜99.5％である負分散ミラーにより構成されており、このミラー分散量は従来の負分散ミラーと比較して非常に大きく、単体で十分な負分散補償が可能であり、共振器内にさらなる負分散素子を備える必要がないため、モード同期固体レーザ装置を小型に構成することができる。すなわち、共振器の一端を構成する出力ミラーとして上述の負分散ミラーを備えたことにより、装置全体とし部品を大幅に低減し、小型化することができることから、低コストに構成することができると共に、レーザ出力の安定化を達成することができる。
このように、ソリトンパルスが安定して発生する条件を明確にし、さらに、上記条件の分散量および反射率を有する負分散ミラーを実現したので、相乗的に低コストかつ小型化を達成しつつ、安定性の高いモード同期固体レーザ装置を実現することができる。
なお、本発明によるモード同期固体レーザ装置において、固体レーザ媒質を励起する励起光が、共振器光軸に対して斜め方向から入射し、該光軸上またはその延長上に配置された、固体レーザ発振光を透過させるダイクロイックミラーで反射してこの光軸方向に進むように構成された場合は、励起光学系が十分に小型化されるので特に好ましい。
以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるソリトン型モード同期固体レーザ装置を示す概略側面図である。図示の通りこのモード同期固体レーザ装置は、励起光（ポンピング光）10を発する半導体レーザ11と、励起光10を共振器内に入力させる励起光学系12と、この励起光学系12により共振器の外部から共振器光軸に斜めに入射された励起光10を、固体レーザ媒質15に向けて反射すると共に、共振器内で共振する発振光18を透過する、共振器内に配されたダイクロイックミラー13と、共振器の一方の終端を構成する出力ミラーを兼ねた負分散ミラー５と、共振器の他方の終端を構成するSESAM（半導体可飽和吸収ミラー）16と、このSESAM16および負分散ミラー５で構成される共振器の内部に配置された固体レーザ媒質15とから構成されている。
本実施形態において、固体レーザ媒質15としては一例としてYb:KYW結晶が用いられている。半導体レーザ11としては、上記の固体レーザ媒質15を励起する波長980ｎｍの励起光10を発するものが用いられている。またダイクロイックミラー13としては、波長980ｎｍの励起光10を反射させ、波長1045ｎｍの固体レーザ発振光18を透過させる特性のものが用いられている。
そして上述の固体レーザ媒質15とSESAM16とは、SESAM16において形成される共振器モード半径（＝発振光のビーム半径）により決定されるレーリ長の２倍以下の距離ｄで近接配置されている。
以上の構成においては、半導体レーザ11から出力され、励起光学系12により共振器光軸に対して斜めに入射された励起光10がダイクロイックミラー13により反射されて固体レーザ媒質15に入力され、固体レーザ媒質15が励起され、それにより発生した波長1045ｎｍの光が共振器の作用で発振する。レーザ発振光18は出力ミラー（負分散ミラー）５を一部透過し外部に出力光18ａとして取り出される。本構成の装置においては、共振器内で共振するレーザ発振光18のビームウエストがSESAM16上にのみ形成されている。
ここでは、負分散ミラー５の作用による負の群速度分散と、主に固体レーザ媒質15での自己位相変調が組み合わさって、フェムト秒領域のパルス発振光18ａが得られる。より詳しくは、SESAM16によりモード同期が始動してパルスを維持安定化させるとともに、群速度分散と自己位相変調がバランスすることによるソリトンパルス形成を経てモード同期パルスの急峻化が起こり、フェムト秒クラスの安定したソリトンパルス発生が可能となる。
ここで、レーリ長の２倍という条件について説明する。この条件は、固体レーザ装置において、ソリトンモード同期を生じさせ連続パルス発振を得るための上述の（１）および（２）式から本発明者が考察して得た条件である。固体レーザ媒質における発振光のビーム半径が大きくなりすぎると、発振閾値およびＣＷモード同期閾値が大きくなりすぎるとレーザ発振が起きない、あるいはモード同期が掛からずパルス発振ができないという問題が生じるが、固体レーザ媒質が発振光のビームウエストからレーリ長の２倍以下の位置に配置されていれば、ソリトン型のモード同期を得ることができる。
固体レーザ媒質15とSESAM16とがレーリ長の２倍程度離隔した場合、固体レーザ媒質15での発振光ビーム半径ωLは発振光ビームウエストでの発振光ビーム半径の2.2倍に広がる。従って、既述の(１)式から、固体レーザ媒質15に発振光ビームウエストがくるよう構成されている場合と比較してレーザ発振閾値は4.8倍上がることが分かる。しかし、ビームウエストでのビーム半径ω＝25μｍ程度とすれば、発振光ビーム半径ωL＝2.2×25μｍであり、発振閾値を100ｍＷ以下にすることが可能である。なおこのときのレーリ長は1.9ｍｍ、２倍で3.8ｍｍである。発振閾値を100ｍＷ以下とすることができれば、十分高い効率で発振させることができる。
一方、前述の（２）式から、固体レーザ媒質15に発振光ビームウエストがくるよう構成されている場合と比較してＣＷモード同期閾値は、2.36ｎＪから5.93ｎＪ（ただしSESAMの特性パラメータとして、ΔＲ＝0.9％、Ｆsat,A＝90μJ/ｃｍ2とした）とおよそ2.5倍程度増大することが分かる。しかし、この程度の増大は、発振閾値を100ｍＷ以下に抑えられていれば、十分な発振出力を確保でき、問題なくＣＷモード同期が達成可能なレベルである。
このように、固体レーザ媒質とSESAMをレーリ長以下の距離で配置することにより、（１）式、および（２）式を満足させ、かつ、モード同期固体レーザ装置の小型化を図ることができる。すなわち、固体レーザ媒質とSESAMを上記距離で配置することにより、ソリトンモードパルスが発振可能な小型の固体レーザ装置を構成可能である。
しかしながら、前述の通り、固体レーザ媒質とSESAM（反射ミラー）を近接した場合、空間ホールバーニングが生じ、この空間ホールバーニングにより、競合プロセスが生じることから、ソリトンパルスが発生しても、競合パルスにより乱されてしまうという問題が生じる。
本発明者らは、SESAMの吸収変調深さΔＲと、共振器内全分散量Ｄを所定の範囲に設定することにより、この空間ホールバーニングにより生じる競合パルスを抑制し、安定なソリトンパルス動作を達成できることを明らかにした。
図３は、Yb:KYW結晶に対して数値計算された、空間ホールバーニングより生じる競合パルスの利得優位度ΔＧのスペクトル帯域ΔλＰ（波長帯域で示している）に対する依存性を示す。この利得優位度ΔＧは、図１に示す構成のモード同期固体レーザ装置について、本発明者らが参照文献１記載の数式を適応させて求めたものである。図３の横軸は、レーザ発振しているソリトンパルスのスペクトル帯域（パルス帯域）ΔλＰである。また、ここで基本周期ソリトンパルスの利得Ｇとして、Ｇ＝0.04を想定した（この値は、励起光のパワー、スポット系、装置構成に依存するが、現実的な装置構成における値として設定したものである）。なお、利得優位度とは、各競合プロセスにより生じる競合パルス（シフトパルス、CWバックグラウンド、ダブルパルス）とソリトンパルスとの利得の差を表すものである。図３から、常に、ソリトンパルスよりこれらの競合パルスが僅かに高い利得を有することが分かる。所望の基本ソリトンでのCWモード同期を得るためには、これらの競合パルスを抑制する必要がある。
SESAM16は、パルスエネルギーＥPに応じた非線形反射特性を有しており（例えば前述の非特許文献３参照）、上記の競合プロセスのうち、CWバックグラウンドとダブルパルスの抑制に効果がある。より具体的には、CWバックグランドの利得優位度ΔＧ（CW)を、変調深さΔＲの半分、すなわち、ΔＲ/２以下とすることによりCWバックグラウンドを抑制することができ、ダブルパルスの利得優位度ΔＧ（DP)をΔＲ/Ｓ［ここで、Ｓ＝ＥP/(Ｆsat,A・Ａeff,A）：SESAM飽和度］以下とすることにより、ダブルパルスを抑制することができる。
すなわち、図３において、ΔＧ（CW)≦ΔＲ／２、かつ、ΔＧ（DP)≦ΔＲ／Ｓを満たすパルス帯域においては、CWバックグランドとダブルパルスが抑制することができる。
一方、シフトパルスはSESAM16では抑制できない。これは、シフトパルスは、基本ソリトンパルスとパルス幅、パルス帯域、エネルギーにおいて同等で、周波数軸上でシフトしているだけ（前記表１および図２参照）であるから、SESAM16に対して同じ飽和度を与えるため、ソリトンパルスとの弁別が効かないためである。
シフトパルスの利得優位度ΔＧ（SP)が略０である範囲、かつΔＧ（CW)≦ΔＲ／２、かつ、ΔＧ（DP)≦ΔＲ／Ｓを満たすパルス帯域において、ソリトンモードが安定して生じるものとなる。なお、シフトパルスはSESAMで抑制できないため、ソリトンモードを安定して発生させることができるパルス帯域の下限は、シフトパルスにより制限される場合が多い。
さて一方、パルス幅τpは共振器内分散量Ｄの絶対値｜Ｄ｜と以下の比例関係で結び付けられる（非特許文献３参照）。
また、パルス幅はパルス帯域と逆比例の関係にある。
これらを考慮し、本発明者らは、ソリトンモード安定領域となるパルス帯域に制限があることは、共振器内全分散量Ｄに制限があることと等価であり、空間ホールバーニングを抑制して安定なソリトンモードを生じさせるためには、SESAMの吸収深さに応じて共振器内分散量Ｄを適切な範囲の値に設定する必要があることを明らかにした。
図４に、（３）式から求めた共振器内全分散量のパルス帯域依存性を示す（パルス幅とパルス帯域とは逆比例の関係にある）。
以上の関係から、本発明者らは、可飽和吸収ミラーを、共振器における基本ソリトンパルスに対するダブルパルスの利得優位度Ｇ（DP)、および基本ソリトンパルスに対するCWバックグラウンドの利得優位度Ｇ（CW)に対し、
ΔＧ（CW)≦ΔＲ／２かつ、ΔＧ（DP)≦ΔＲ／Ｓ・・・(Ａ）
を満たす吸収変調深さΔＲおよび飽和度Ｓを有するものとし、共振器内を所定の波長の光が一往復した場合の共振器内全分散量の絶対値｜Ｄ｜（ただしＤ＜０）を、（Ａ）式かつ、基本ソリトンパルスに対するシフトパルスの利得優位度Ｇ（SP)≒０を満たすパルス帯域の範囲に対応する値となるように装置を構成することにより、ソリトンパルスを安定して生じさせることができることを見出した。
以下、具体的な数値を用いて考察を行った。
一般的なモード同期固体レーザ装置においては、SESAM飽和度Ｓ＝３〜５程度で設計されており、本発明の具体的な構成においてもこの範囲の値を想定しており、特に以下では、Ｓ＝４を採用している。
図３を参照すると、ダブルパルスの利得優位度の最小値はΔＧ＝0.05％であるので、このダブルパルスを抑制するには、Ｓ＝４としたとき、吸収変調深さの最低ラインとしてΔＲmin≧ΔＧ・Ｓ＝0.2％とする必要がある。
一般的に製造されているSESAMの変調深さΔＲは0.3％程度が最小値であり、通常、空間ホールバーニングが生じない系においては、ΔＲ＝0.3％〜2％程度がモード同期に適切とされている。
ここで、ΔＲ＝0.3％、Ｓ＝4とした場合、CWバックグラウンドを抑制するためには、パルス帯域は、ΔＲ/２＝0.15％のところで制限され、4ｎｍ〜7ｎｍというパルス帯域しか安定に存在できない。また、ダブルパルス条件から、ΔＲ/Ｓ＝0.075％となり、4.5ｎｍ〜6.0ｎｍとなり、この範囲でしか、パルスが安定でない。またシフトパルス条件から、4ｎｍ以上でしか存在できない。これらの条件の積集合を取ると、結局、ダブルパルス条件が最も厳しく、パルス帯域4.5〜6.0ｎｍでのパルスしか許されないことになる。これは、フーリエ変換限界のパルスとして、254fsecから191fsec（波長λ0=1045ｎｍ）のパルス幅（中心223fsec±14％）しか許されないという極めて限定された範囲になる。
ある程度余裕のあるパルス帯域を確保するためには、上述の最低ラインとなるΔＲmin＝0.2％の２倍以上は必要であり、現実的なSESAMの吸収変調深さはΔＲ≧0.4％である。ΔＲを0.4％以上とすることにより、パルス帯域を広げることができる。
例えば、ΔＲ＝0.8％、Ｓ＝４とした場合、可能なパルス帯域は、ΔλP＝4ｎｍ〜8ｎｍ、それに対応したパルス幅はτP＝287〜143fsecである。また、ΔＲ＝1.4％としたときには、パルス帯域を4ｎｍ〜11ｎｍまで広げることが出来、パルス幅287〜104fsecのパルスが生成可能である。
このように、SESAMの吸収変調深さを0.4％以上の所定の値とした場合、該ΔＲにより、ダブルパルスおよびＣＷバックグランドを抑制することができるパルス帯域（パルス幅）には制限がある。
さて、励起光源である半導体レーザとしてエミッタ幅が100μｍで出力３Ｗ級のものを想定し、共振器長を50ｍｍとし、伝送効率85％、吸収効率90％、光変換効率30％、出力結合ＴOC＝１％とすると、内部のエネルギーは、およそＥP＝23nJとなる。これが本発明の具体例で想定している最大のパルスエネルギーである。（なお、図１に示すような本発明の対象となる小型な装置においては、これ以上パルスエネルギーは原理上達成できない。）
この場合、図４を参照すると、104fsecパルス（パルス帯域11ｎｍに相当）を生成するには、950fsec2の負の分散量が必要である。安定範囲の下限４ｎｍ（シフトパルスによる制限）では、2500fsec2程度の負の分散量とすればよい。なお、共振器内全分散量ＤはパルスエネルギーＥPの関数でもあるので、パルスエネルギーが大きいと、より大きな分散量が必要になることから、本発明で想定している装置としては、これが共振器内全分散量の絶対値上限である。絶対値下限については、パルスエネルギーが小さくなればそれだけ共振器内全分散量も小さくする必要があり、図４から分かるように共振器内全分散量が略零の場合があり得ることから、絶対値下限は０超とした。
すなわち、図１に示した構成のモード同期固体レーザ装置において、固体レーザ媒質としてYb:KYWを用い、吸収変調深さΔＲ≧0.4％とした場合、共振器内全分散量Ｄは−2500fs2以上０未満の範囲とする必要がある。もっとも、装置構成に応じて全分散量Ｄの範囲にはさらに制限がある。例えば、上述の例でΔＲ＝0.8％、Ｓ＝４、Ｅｐ＝20ｎＪとした場合、共振器内全分散量Ｄは−2500fs2以上、−1400fs2以下とする必要があり、また、ΔＲ＝1.4％、Ｓ＝４、Ｅｐ＝20ｎＪとした場合、共振器内全分散量Ｄは−2500fs2以上、−1000fs2以下とする必要がある。
なお、具体的に装置を組み立てるに当たっては、安定／不安定の境界領域近傍は動作が不安定になりやすいことを考慮する必要がある。そこで1/5程度の共振器内全分散量の余裕を持たせることが好ましく、例えば、ΔＲ＝0.8％、Ｓ＝４、Ｅｐ＝20ｎＪとした場合、共振器内全分散量Ｄは−2000fs2以上、−1700fs2以下とすることで、より安定なCWモード同期動作を実現できる。
また、図５は、図３と同様に、Yb:KYW結晶に対して数値計算された、空間ホールバーニングにより生じる、競合パルスの利得優位度ΔＧのスペクトル帯域ΔλＰに対する依存性を示す。ここでは、基本周期ソリトンパルスの利得Ｇとして、Ｇ＝0.1を想定した。図５に示すように、利得が大きい場合（これは励起パワーが大きいことと等価である。）には、競合パルスの利得優位度が大きくなると共に、ＣＷバックグラウンドおよびダブルパルスの利得優位度が最小値を取るパルス帯域が小さい方へシフトしていることがわかる。同一のΔＲのSESAMを用いた場合、Ｇ＝0.04の時と比較して競合パルスを抑制できるパルス帯域が非常に狭く、かつパルス幅の小さなモード同期を得られ難いことが判った。
次に、使用する負分散ミラー５について、図面を参照して説明する。
図６は、本発明の第１の実施形態の負分散ミラー５の構成を示す模式図である。
本実施形態の負分散ミラー５は、凹面を有するガラス基板６の凹面上に誘電体多層膜構造７を有するミラーであり、多層膜構造７が、それぞれ複数の層が積層されてなる２つのミラー機能層部ＭＬ1，ＭＬ2および該２つのミラー機能層部ＭＬ1，ＭＬ2間に挟まれて配されてこの２つのミラー機能層部ＭＬ1，ＭＬ2間で所定の波長の光Ｌの共振を生じさせるキャビティ層Ｃから構成されている。本発明における負分散ミラーにおいては、多層膜構造中にキャビティ層Ｃを１層のみ備えている。
なお、ガラス基板６の多層膜構造が設けられる面に対向する面に多層膜構造７を透過した光が基板６の凹面に対向する面で反射するのを防止するための反射防止膜８が設けられている。多層膜構造７の積層面側からミラーに入射される光Ｌに対する反射率が97％〜99.5％であり、３％〜0.5％の成分が反射防止膜８側へ透過する。
多層膜構造７の各層は、基板６側から、第１層、第２層・・・第（ｋ−１）層、第ｋ層、第（ｋ＋１）層、・・・ｎ層の順で積層されており、第１層から第（ｋ−１）層までがミラー機能層部ＭＬ1、第ｋ層がキャビティ層Ｃ、第（ｋ＋１）層から第ｎ層までがミラー機能層部ＭＬ2をそれぞれ構成している。
負分散ミラー５は、所定の波長の光Ｌ（18）に対して、ミラー分散量が−3000fs2〜−600fs2の範囲にあり、かつ、反射率が97％〜99.5％の範囲にある。ミラー５は、所定の波長を含む10ｎｍ以上の帯域幅の光に対してミラー分散量が−3000fs2〜−600fs2の範囲の所定の値であり、反射率が97％〜99.5％の範囲の所定の値であり、これらの範囲で任意に設定可能である。
各ミラー機能層部ＭＬ1，ＭＬ2は、相対的に高い屈折率ｎm1からなる高屈折率層と、相対的に低い屈折率ｎm2（＜ｎm1）からなる低屈折率層とが交互に積層されて構成されており、各機能層部ＭＬ1，ＭＬ2はそれぞれ少なくとも高屈折率層と低屈折率層との合計が８層以上であることが好ましい。例えば、奇数層（第１層、第３層・・・）を高屈折率層、偶数層（第２層、第４層・・）を低屈折率層で構成すればよい。１つのミラー機能層部で８層以上積層すれば、負分散ミラー５の反射率97％以上を十分に達成できる。
高屈折率層は、具体的には、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｙ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｃｅ、ＰｒまたはＴａの酸化物、およびＺｎの硫化物から選ばれる１つ、または、これらの１つもしくは複数を含む混合物または化合物から構成することができる。具体物としては、ＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2、サブスタンスＨ４（商品名：メルク社製、ＬａＴｉｘＯｙを主成分とする蒸着材）などが挙げられる。
低屈折率層は、Ｓｉの酸化物、およびＣａ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｔｈ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｌａ、ＹまたはＺｒのフッ化物から選ばれる１つ、または、これらの１つもしくは複数を含む混合物または化合物から構成することができる。具体物としては、ＳｉＯ2、ＭｇＦ、Ａｌ2Ｏ3などが挙げられる。
尤も、低屈折率層と高屈折率層は相対的に低い屈折率を有する誘電体と相対的に高い屈折率の誘電体から構成されていればよく、既知のいかなる材料を用いてもよい。
一方、キャビティ層の屈折率は特に限定されるものではないが、ミラー機能層部を構成する高屈折率層または低屈折率層に用いられる材料を用いれば、他の材料を用意する必要がないためコスト、工程数の増加を抑えることができ好ましい。
キャビティ層は他の層と比較して一般に光学膜厚が大きく、ここでは、キャビティ層Ｃの光学膜厚は（λ／４）の２倍以上すなわちλ／２以上、好ましくは（λ／４）の４倍〜８倍である。ミラー機能層ＭＬ1，ＭＬ2を構成する各層の光学膜厚は、λ／４の１／２以上かつ２倍未満、すなわちλ／８以上かつλ／２未満とする。なお、光学膜厚は層の屈折率ｎと層の膜厚ｄ（ｎｍ）の積ｎ・ｄで表されるものである。
所定の波長の光Ｌは、固体レーザ媒質15から出力され、共振器内で共振する光18であり、負分散ミラー５が適応されるモード同期固体レーザ装置の構成により定められる。例えば、固体レーザ媒質としてYb:KYW（K(WO4)2）を用いる場合であれば、その波長λ＝1045ｎｍであり、固体レーザ媒質としてYb:KGW（Gd(WO4)2）を用いる場合、λ＝1040ｎｍであり、その他、Yb:YAGではλ＝1050ｎｍ、Yb:Y2O3ではλ＝1076ｎｍ、などである。
本装置においては、励起光10が共振器光軸と交わる方向から共振器に入力され、共振器内の共振器光軸上に配置されたダイクロイックミラー13により反射されて固体レーザ媒質へと導入される。このダイクロイッミラー13は、励起光を高反射（例えば、反射率＞85％）で反射するとともに、レーザ発振光を無反射（例えば、反射率＜0.5％）で透過させる。このため、挿入に伴うレーザ発振効率の低下は最小限に抑制出来るとともに、励起光源を従来の光学系よりも固体レーザ媒質に近づけることが出来るという利点がある。なお、このダイクロイックミラーは、45度入射あるいはブリュースター角での入射が望ましい。ダイクロイックミラーには、励起光の入射角度に応じたコート設計を施せばよい。
さらに、ダイクロイックミラーを備えた構成であることから、励起光学系を屈折率分布レンズ（GRINレンズ＝Graded Index レンズ）等の一枚レンズの光学系とすることが可能になる。この理由は、固体レーザ媒質と励起光学系レンズまでの距離を短縮できることに起因する。実際、１：２の結像系を構成するとして、例えば、ピッチ0.23、実効焦点距離1.94ｍｍのGRINレンズ（Thorlabs社製、レンズ長4.42ｍｍ、レンズ直径1.8ｍｍ）を用いる場合、光源からレンズ（前側主点）までの距離d1＝2/3f＝1.3ｍｍ、レンズ（後側主点）から固体レーザ媒質までの距離d2＝2×d1＝2.6ｍｍと、レンズ自体の長さを加えても、概略1.3＋2.6＋4.4＝8.3ｍｍと極めて小さく配置できる。１：２の光学倍率を実現するのに、前述したように、図１９に示す従来の装置ように凹面出力ミラーを介して励起光を入射させる構成をとると、それだけで75ｍｍ〜200ｍｍもの長さが必要になる。したがって、本発明で、極めて小さな励起光学系が実現できると言える。
なお、図１の構成において共振器長は50ｍｍとしたが、共振器長が200ｍｍ以下であれば、モード同期の安定性とレーザ共振器の安定性を両立することができる。以下にその理由を詳細に述べる。
先に述べたように共振器長を長くすることで、パルス繰り返しが下がり、パルスエネルギーが大きくなるため、CWモード同期閾値を容易に上回ることが可能になる。すなわち、CWモード同期に関する（2）式のみを考えれば、パルスエネルギーが大きいほど好ましく、共振器長は長ければ長いほど好ましいと考えられる。
一方、機械的な変動によるレーザ出力の不安定という観点から見ると、共振器長は無制限に長くすることはできず、200ｍｍ程度が機械的な限界と考えられる。これは、以下の考察から導いたものである。一般的には、共振器長１ｍ程度であると、機械的な振動・ドリフト、熱による機構部品の位置変異、剛性によるたわみなどに基づく光学アライメントのずれが、レーザ特性の劣化、不安定化をもたらしている場合が多い。共振器のアライメント許容度は、共振器長に逆比例し、ミラー曲率の関数であることが知られている。１ｍ級では50〜100μrad程度であることが知られている（参考文献：N.Hodgson and H. Weber, Optical Resonators p. 219, Springer）。このため共振器長を200ｍｍ以下にすることで、許容度を5倍の250〜500μrad以上にすることができる。ミラーの機械変動は、一概に定量化できないが、一般的なジンバルで、50μrad（8℃の温度変動；Newport社カタログ）であり、１ｍ級共振器では許容度と同程度のミラー変動が生じるが、200ｍｍ以下では、許容度の1/5程度と、出力変動が無視できるレベルに留まる。
このように、モード同期の安定性のみならず、レーザ共振器の安定性を考慮して、両者が両立することが出来る範囲として、共振器長200ｍｍ以下であることが好ましい。
以上説明した実施形態は、固体レーザ媒質15がYb:KYWからなるものであるが、競合パルスの基本ソリトンパルスに対する利得優位度について、Yb:KGW結晶でも、図３および図５と同様の計算結果が得られる。何故なら、Yb:KYWとYb:KGWとは、蛍光帯域幅、誘導放出断面積、吸収断面積などの各物性定数が、ほぼ同じだからである。ただ一点異なることは、非線形屈折率ｎ2の値であり、Yb:KGW（ｎ2＝20×10-20 ｍ2/Ｗ）はYb:KYW（ｎ2＝8.7×10-20 ｍ2/Ｗ）の2.3倍の値である。すなわち、図４に示した分散量のパルス依存性のスケールが2.3倍となり、したがって、Yb:KGWを用いた場合の共振器内分散量Ｄは、Yb:KYWを用いた場合よりも絶対値として2.3倍大きくする必要があり、固体レーザ媒質がYb:KGWである場合は、共振器内全分散量Ｄが−5750 fs2以上0 fs2未満の範囲が好ましいこととなる。
また、代表的な短パルス材料であるYb:YAG結晶の1050ｎｍ発振について、競合パルスの基本ソリトンパルスに対する利得優位度を計算した結果を図７に示す。ここでは、基本周期ソリトンパルスの利得Ｇとして、Ｇ＝0.07を想定している。
この場合にも、Ｓ＝4のとき、ΔＲ≧0.4％とすることでソリトンパルスを安定に発生させる帯域を得ることができることが判る。たとえば、ΔＲ＝0.8％とすることにより、帯域2〜4ｎｍでダブルパルス、CWバックグラウンドを抑制することができる。さらにΔＲを大きくすることにより、より大きなパルス帯域でソリトンパルスを安定発振させることが可能となる。実用上は、300fsec以下の短パルス幅のソリトンモード同期を実現することが好ましく、従って、パルス帯域としては4ｎｍ（パルス幅287fsec相当）より大きくするのが好ましい。従って、Yb:YAGを用いる場合、ΔＲ≧0.8％以上とすることが望ましい。Yb:YAGの場合、Yb:KYWのおよそ70％の非線形屈折率（ｎ2＝6.2×10-20 ｍ2/Ｗ）であるため、共振器内全分散量の好ましい範囲は、Yb:KYWの絶対値の70％の範囲であり、−1750fs2以上0 fs2未満である。
他にも、セラミクス作製が可能な固体レーザ媒質が近年注目されており、本発明ではその種の固体レーザ媒質を用いることも可能である。通常、結晶状態で使用するのが一般的であるが、ガーネット系材料など（YAG）では、セラミクス状態でのレーザ媒質の作製も行われている。セラミクスは、結晶に比べ、同等またはそれ以上の光学的特性を有しながら、同時に大型化が可能であり、コスト削減が期待できる。ガーネット以外でも、Ｃ希土類と呼ばれる一群ではセラミクス化が可能であり、Yb:Y2O3、Yb:Sc2O3、Yb:Lu2O3などがこれに相当する（文献：Optics Express, vol. 11 no.22 (2003) pp. 2911-2916参照）。また、ガラスなど、本質的に大型化が可能で低コストの材料も、レーザ媒質として使用実績がある。Ybを添加したガラスや、Er,Yb共添加ガラス（文献：Optics Letters, vol. 30 no.3 (2005) pp. 263-265参照）では、もともとガラスの有する広帯域発光を利用したデバイスが作製されている。これらに対しても、本発明は有効である。
図８に、Yb:Y2O3を用いた場合の、競合パルスの基本ソリトンパルスに対する利得優位度の計算結果を示す。ここでは、基本周期ソリトンパルスの利得Ｇとして、Ｇ＝0.06を想定している。
この場合にも、Ｓ＝4のとき、ΔＲ≧0.4％とすることでソリトンパルスを安定に発生させる帯域を得ることができることが判る。例えば、ΔＲ＝0.8％とすることにより、パルス帯域4〜6ｎｍでダブルパルス、CWバックグラウンドを抑制することができる。ΔＲ＝0.4％のとき、ダブルパルス、CWバックグランドを抑制可能なパルス帯域は4ｎｍ近傍のみと非常に狭いが、ΔＲ≧0.8％以上とすることにより、より広いパルス帯域で競合パルスを抑制することが可能となる。
また、Yb:Y2O3の場合、Yb:KYWのおよそ1.3倍の非線形屈折率（ｎ2＝1.16×10-19 ｍ2/Ｗ）であるため、その分、共振器内全分散量Ｄの絶対値も1.3倍となる。従って、Yb:Y2O3についての、共振器内全分散量Ｄの好ましい範囲は、−3250fs2以上０未満である。
なお、Yb:Lu2O3について計算した結果を図９に示す。ここでは、基本周期ソリトンパルスの利得Ｇとして、Ｇ＝0.05を想定している。この場合にも、Ｓ＝4のとき、ΔＲ≧0.4％とすることでソリトンパルスを安定に発生させる帯域を得ることができ、さらにΔＲを大きくすることによりその帯域を広げることができることが判る。
また、Yb:Lu2O3の場合、Yb:KYWのおよそ1.2倍の非線形屈折率（ｎ2＝1.0×10-19 ｍ2/Ｗ）であるため、その分、共振器内全分散量Ｄの絶対値も1.2倍となる。従って、Yb:Y2O3についての、共振器内全分散量Ｄの好ましい範囲は、−3000fs2以上０未満である。なお、Yb:Lu2O3と同じ結晶構造を有し、ほぼ同等の非線形屈折率を有するYb:Sc2O3については、Yb:Lu2O3と同様の条件となる。
次に図１０に、Er,Yb共添加燐酸ガラスを用いた場合の、競合パルスの基本ソリトンパルスに対する利得優位度の計算結果を示す。ここでは、基本周期ソリトンパルスの利得Ｇとして、Ｇ＝0.02を想定している。
Er,Yb共添加燐酸ガラスにおいては、Ybイオンで励起光を吸収し、エネルギー移乗を経て、Erイオンへとエネルギーを移す。さらに、燐酸ガラスという比較的フォノンエネルギーの大きな媒質を用いることで、励起準位4I11/2からレーザ上準位4I13/2へと高速緩和する。これにより、高効率で反転分布を形成できる。この場合、発振は1550ｎｍ近傍、励起は980ｎｍである。
Er,Yb共添加燐酸ガラスをレーザ媒質として用いる場合、波長1550ｎｍ〜1600ｎｍの発振光18を直接取り出すだけではなく、図１１に示すように発振光18ａを非線形光学結晶60に通して、第２高調波61を発生させるように構成すれば、発振光18ａを波長780ｎｍ〜800ｎｍの帯域へと変換できる。従来800ｎｍ近傍での固体レーザはTiSapphireなどの遷移金属結晶が必要で、かつ励起光源として532ｎｍ緑色レーザが必要であったところを、赤外波長帯域の半導体レーザを用いた励起が可能でかつ、本質的に高効率な希土類遷移を使用できるというメリットが得られる。
Er,Yb共添加燐酸ガラスの場合、２ｎｍのパルス帯域でシフトパルスが略０となる。実用上は、600fsec以下の短パルス幅のソリトンモード同期を実現することが好ましく、従って、パルス帯域としては4ｎｍ（パルス幅600fsec相当）より大きくするのが好ましい。
Er,Yb共添加燐酸ガラスは、非線形屈折率が小さいため（ｎ2＝3×10-20 ｍ2/Ｗ）、共振器内全分散量の好ましい範囲は、−1200fs2以上、0 fs2未満である。
さらに、Ndを添加したレーザガラス材料においても、同様に考えることができる。例えばNdを添加したリン酸系レーザガラスにおいて、競合パルスの基本ソリトンパルスに対する利得優位度を計算した結果を図１２に示す。
上述の場合と同様の考察により、パルス帯域４ｎｍ以上とすることが好ましいことから、Nd:リン酸ガラスの場合、非線形屈折率は、ｎ2＝2.8×10-20 ｍ2/Ｗであることから、共振器内全分散量の好ましい範囲は、−800fs2以上、0 fs2未満である。
以下、負分散ミラーの具体な層構成例を説明する。
図１３Ａ〜図１６Ａは、設計例１〜４についてそれぞれ所定の中心波長に対する各層の光学膜厚を示すものであり、図１３Ｂ〜図１６Ｂはそれぞれ図１３Ａ〜図１６Ａに示した設計例１〜４の層構成で達成される反射率およびミラー負分散量を示すグラフである。設計例１〜４は中心波長λ＝1045ｎｍとして（固体レーザ媒質としてYb:KYW（K(WO4)2）を想定）設計したものであり、いずれもシミュレーションにより得たものである。
図１３Ａ〜図１６Ａにおいて、横軸は層番号を示し、縦軸はλ／４で規格化した光学膜厚（４ｎｄ／λ）を示している。最も基板側の層が第１層であり、最も空気側の層が第５０層である。図１３Ｂ〜図１６Ｂの横軸は所定の光の波長（ｎｍ）であり、縦軸は反射率（％）及びミラー負分散量（fs2）を示している。
図１３Ａに示す設計例１の多層膜構造は、第１層から第８層によりミラー機能層ＭＬ1が構成され、第９層がキャビティ層Ｃ、第１０層から第５０層によりミラー機能層ＭＬ2が構成されている。ここでは、キャビティ層Ｃが比較的基板に近い側に配置されている。図１３Ｂは、図１３Ａで示した膜構成のミラーでは、1045ｎｍを中心波長として、少なくとも±５ｎｍの範囲においては、反射率＝98.5％かつミラー負分散量＝−1000fs2を満たす特性を有していることを示している。
図１４Ａに示す設計例２の多層膜構造は、第１層から第３４層によりミラー機能層ＭＬ1が構成され、第３５層がキャビティ層Ｃ、第３６層から第５０層によりミラー機能層ＭＬ2が構成されている。ここでは、キャビティ層Ｃが設計例１と比較して基板から離れた位置に配置されている。図１４Ｂは、図１４Ａで示した膜構成のミラーでは、1045ｎｍを中心波長として、少なくとも±５ｎｍの範囲においては、反射率＝98.5％かつミラー負分散量＝−1000fs2を満たす特性を有していることを示している。
設計例１と設計例２とでは異なる層構造であるが1040ｎｍ〜1050ｎｍの範囲においては略同じ特性を得ることができるものとなっている。
図１５Ａに示す設計例３の多層膜構造は、第１層から第３０層によりミラー機能層ＭＬ1が構成され、第３１層がキャビティ層Ｃ、第３２層から第５０層によりミラー機能層ＭＬ2が構成されている。図１５Ｂは、図１５Ａで示した膜構成のミラーでは、1045ｎｍを中心波長として、少なくとも±５ｎｍの範囲においては、反射率＝98.5％かつミラー負分散量＝−3000fs2を満たす特性を有していることを示している。
図１６Ａに示す設計例４の多層膜構造は、設計例３と同様に第１層から第３０層によりミラー機能層ＭＬ1が構成され、第３１層がキャビティ層Ｃ、第３２層から第５０層によりミラー機能層ＭＬ2が構成されている。しかしながら、図１６Ｂは、図１６Ａで示した膜構成のミラーでは、1045ｎｍを中心波長として、少なくとも±５ｎｍの範囲においては、反射率＝98.5％かつミラー負分散量＝−600fs2を満たす特性を有していることを示している。
設計例３と設計例４とでは、キャビティ層Ｃの層番号は同一であり、光学膜厚もほぼ等しく、ミラー機能層を構成する層数も同一である。しかしながら、得られる特性は大きく異なり、これはミラー機能層ＭＬ1,ＭＬ2を構成する各層の光学膜厚が異なることに起因すると考えられる。
いずれの設計例においてもキャビティ層はλ/４で規格化した光学膜厚が４〜５の間であり、ミラー機能層を構成する各層の光学膜厚は１を基準に0.5以上、２未満の範囲である。しかしながら、キャビティ層の光学膜厚は４〜５に限られず２以上であればよい。また、多層膜構造を構成する層の数は５０に限られるものではない。また、上記の設計例においては固体レーザ媒質としてYb:KYW（K(WO4)2）を用いることを想定し、中心波長λ＝1045ｎｍとしたが、中心波長はモード同期固体レーザ装置に備えられるレーザ媒質に応じて設定する必要がある。
中心波長λ、−3000fs2〜−600fs2の範囲の所望のミラー分散量、97％〜99.5％の範囲の所望の反射率を設定し、その他の初期条件として、層数、屈折率（膜材料）、キャビティ層をどのあたりに設けるかおよびミラー層を何層ぐらいにするかなどの膜構成、おおよその膜厚（ミラー機能層を構成する各層については中心波長λ/4付近、キャビティ層については中心波長の整数倍λ/4×ｎの光学膜厚とするなど）を設定してから、コンピュータシミュレーション（薄膜計算ソフト「Essential Macleod」を用いたシミュレーション）を行う。その後これらの初期条件は手動またはコンピュータにより自動的に修正されながら前述の設計例のような層構造を得ることができる。
また、共振器構成は直線型であることが望ましいが、これに限らず、SESAM16と固体レーザ媒質15とが密接、あるいは前述の距離で近接していれば、どのような構成を取っていても構わない。また、負分散ミラーとして、凹面ミラーを備えるものについて説明したが、負分散ミラーは平板基板上に多層膜を設けたものであってもよい。
例えば図１７に示す実施形態のように、Ｖ字型の共振器構造を採用することもできる。図１７においては、平板基板３上に多層膜構造４を設けてなる負分散ミラー１を出力ミラーとして備え、共振器内に発振光18を反射させる凹面ミラー19を備えた構成となっている。
図１７に示すモード同期固体レーザ装置において用いられている負分散ミラー１を図１８に示す。図１８に示すように、負分散ミラー１は、平板なガラス基板３上に誘電体多層膜構造４を有するミラーであり、多層膜構造４が、それぞれ複数の層が積層されてなる２つのミラー機能層部ＭＬ1，ＭＬ2および該２つのミラー機能層部ＭＬ1，ＭＬ2間に挟まれて配されてこの２つのミラー機能層部ＭＬ1，ＭＬ2間で所定の波長の光Ｌの共振を生じさせるキャビティ層Ｃから構成されている。
多層膜構造４の構成は先に説明した実施形態の負分散ミラー５の多層膜構造７と同様であり、それぞれ複数の層が積層されてなる２つのミラー機能層部ＭＬ1，ＭＬ2および該２つのミラー機能層部ＭＬ1，ＭＬ2間に挟まれて配されてこの２つのミラー機能層部ＭＬ1，ＭＬ2間で所定の波長の光Ｌの共振を生じさせるキャビティ層Ｃから構成されており、所定の波長の光Ｌに対して、ミラー分散量が−3000fs2〜−600fs2の範囲にあり、かつ、反射率が97％〜99.5％の範囲のものである。前述の実施形態と同様に固体レーザ媒質がYb:KYW（所定の波長λ＝1045ｎｍ）であれば、例えば、既述の設計例１〜４のような膜構成とすればよい。
図１７に示す構成のモード同期固体レーザ装置においても、図１に示したモード同期固体レーザ装置の場合と同様に、小型、低コストでかつ安定性が高く、フェムト秒領域のCWモード同期を実現できる。
本発明の第１の実施形態によるモード同期固体レーザ装置を示す概略側面図 モード同期固体レーザ装置におけるパルス競合現象を説明する図 モード同期レーザ装置におけるパルス帯域と利得優位度との関係の一例を示すグラフ パルス帯域と必要な分散量との関係を示すグラフ モード同期レーザ装置におけるパルス帯域と利得優位度との関係の一例を示すグラフ 出力ミラーとして用いられる負分散ミラーの構成を示す模式図 モード同期レーザ装置におけるパルス帯域と利得優位度との関係の一例を示すグラフ モード同期レーザ装置におけるパルス帯域と利得優位度との関係の一例を示すグラフ モード同期レーザ装置におけるパルス帯域と利得優位度との関係の一例を示すグラフ モード同期レーザ装置におけるパルス帯域と利得優位度との関係の一例を示すグラフ 本発明のさらに別の実施形態によるモード同期固体レーザ装置を示す概略側面図 モード同期レーザ装置におけるパルス帯域と利得優位度との関係の一例を示すグラフ 負分散ミラーの膜構成の設計例１ 設計例１の負分散ミラーにおける反射率および分散量を示すグラフ 負分散ミラーの膜構成の設計例２ 設計例２の負分散ミラーにおける反射率および分散量を示すグラフ 負分散ミラーの膜構成の設計例３ 設計例３の負分散ミラーにおける反射率および分散量を示すグラフ 負分散ミラーの膜構成の設計例４ 設計例４の負分散ミラーにおける反射率および分散量を示すグラフ 本発明の別の実施形態によるモード同期固体レーザ装置を示す概略側面図 図１７の装置において用いられる負分散ミラーの構成を示す模式図 従来のモード同期固体レーザ装置の一例を示す概略平面図 従来のモード同期固体レーザ装置の一例を示す概略平面図 従来のモード同期固体レーザ装置の一例を示す概略平面図
符号の説明
１、５ 負分散ミラー
３ ガラス基板
４、７ 多層膜構造
６ 凹面ガラス基板
Ｃ キャビティ層
ＭＬ1 ＭＬ2 ミラー機能層部
８ 反射防止膜
10 励起光
11 半導体レーザ
12 励起光学系
13 ダイクロイックミラー
15 固体レーザ媒質
16 SESAM（半導体可飽和吸収ミラー）
18 固体レーザ発振光
18ａ 出力光
19 凹面ミラー
60 非線形光学結晶
61 第２高調波

Claims (23)

  1. 一端を出力ミラーにより構成されてなる共振器と、前記共振器内に配置された固体レーザ媒質と、可飽和吸収ミラーとを備えたモード同期固体レーザ装置において、
    前記固体レーザ媒質と前記可飽和吸収ミラーとが、両者間の距離がレーリ長の２倍以下なるように配置されており、
    前記可飽和吸収ミラーの吸収変調深さΔＲが0.4％以上であり、
    励起条件として、最大励起出力３Ｗ以下、またはパルスエネルギーＥＰの最大値が23nJ以下で励起し、前記共振器内を所定の波長の光が一往復した場合の共振器内全分散量の絶対値｜Ｄ｜（ただしＤ＜０）の最大値は、パルス帯域Δλ P より算出されるパルス幅τ P から下記関係式により算出されるものであり、当該パルス帯域Δλ P は、前記可飽和吸収ミラーにより基本周期のソリトンパルス以外の動作様式が抑制可能なΔＧ（ＣＷ）≦ΔＲ／２、かつ、ΔＧ（ＤＰ）≦ΔＲ／Ｓを満たす（ここで、ΔＧ（ＣＷ）は基本ソリトンパルスに対するＣＷバックグラウンドの利得優位度であり、ΔＧ（ＤＰ）は基本ソリトンパルスに対するダブルパルスの利得優位度）パルス帯域に設定されており、
    前記出力ミラーが、基板上に誘電体多層膜構造を有してなる負分散ミラーであって、前記多層膜構造が、それぞれ複数の層が積層されてなる２つのミラー機能層部、および該２つのミラー機能層部間に挟まれて配されて該２つのミラー機能層部間で前記所定の波長の光の共振を生じさせるキャビティ層から構成され、前記所定の波長の光に対して、ミラー分散量が−3000fsec2〜−600fsec2であり、かつ、反射率が97％〜99.5％であることを特徴とするモード同期固体レーザ装置。
    （ただし、τP：パルス幅、λ0：中心波長、Ａeff,L (＝πωL 2)：レーザ媒質における発振光ビーム断面積、ｎ2：レーザ媒質の非線形屈折率、ls：レーザ媒質の結晶長、ＥP：共振器内部パルスエネルギー）
  2. 前記固体レーザ媒質を励起する励起光が、共振器光軸に対して斜め方向から入射し、
    該光軸上またはその延長上に配置された、固体レーザ発振光を透過させるダイクロイックミラーで反射してこの光軸方向に進むように構成されていることを特徴とする請求項１記載のモード同期固体レーザ装置。
  3. 前記固体レーザ媒質が、希土類が添加されたものであることを特徴とする請求項１または２記載のモード同期固体レーザ装置。
  4. 前記希土類が、イッテルビウム（Yb）、エルビウム（Er）、あるいはネオジム（Nd）であることを特徴とする請求項３記載のモード同期固体レーザ装置。
  5. 前記固体レーザ媒質が、Yb:YAG（Y3Al5O12）、Yb:KYW（KY(WO4)2）、Yb:KGW（KGd(WO4)2）、Yb:Y2O3、Yb:Sc2O3、Yb:Lu2O3、Er,Yb：ガラス、Nd：ガラスのいずれかであることを特徴とする請求項３記載のモード同期固体レーザ装置。
  6. 前記固体レーザ媒質がYb:KYWである場合は、前記共振器内全分散量Ｄが−2500fsec2以上、0fsec2未満の範囲であることを特徴とする請求項１記載のモード同期固体レーザ装置。
  7. 前記固体レーザ媒質がYb:KGWである場合は、前記共振器内全分散量Ｄが−5750fsec2以上、0fsec2未満の範囲であることを特徴とする請求項１記載のモード同期固体レーザ装置。
  8. 前記固体レーザ媒質がYb:YAGである場合は、前記共振器内全分散量Ｄが−1750fsec2以上、0fsec2未満の範囲であることを特徴とする請求項１記載のモード同期固体レーザ装置。
  9. 前記固体レーザ媒質がYb:Y2O3である場合は、前記共振器内全分散量Ｄが−3250fsec2以上、0fsec2未満の範囲であることを特徴とする請求項１記載のモード同期固体レーザ装置。
  10. 前記固体レーザ媒質が、Yb:Lu2O3である場合は、前記共振器内全分散量Ｄが−3000fsec2以上、0fsec2未満の範囲であることを特徴とする請求項１記載のモード同期固体レーザ装置。
  11. 前記固体レーザ媒質が、Yb:Sc203である場合は、前記共振器内全分散量Ｄが−3000fsec2以上、0fsec2未満の範囲であることを特徴とする請求項１記載のモード同期固体レーザ装置。
  12. 前記固体レーザ媒質が、Er,Yb:ガラスである場合は、前記共振器内全分散量Ｄが−1200fsec2以上、0fsec2未満の範囲であることを特徴とする請求項１記載のモード同期固体レーザ装置。
  13. 前記共振器が直線型であることを特徴とする請求項１から１２いずれか１項記載のモード同期固体レーザ装置。
  14. 共振器モードウエスト直径が100μｍ以下であることを特徴とする請求項１から１３いずれか１項記載のモード同期固体レーザ装置。
  15. 前記負分散ミラーの基板が凹面を有するものであり、前記多層膜構造が該凹面に設けられていることを特徴とする請求項１から１４いずれか１項記載のモード同期固体レーザ装置。
  16. 前記負分散ミラーの前記分散量および前記反射率が、前記所定の波長を含む10ｎｍ以上の帯域幅を有するものであることを特徴とする請求項１から１５いずれか１項記載のモード同期固体レーザ装置。
  17. 前記所定の波長が、1000ｎｍ〜1100ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項１から１６いずれか１項記載のモード同期固体レーザ装置。
  18. 前記負分散ミラーにおいて、前記所定の波長をλとしたとき、前記キャビティ層の光学膜厚が、λ／２以上の厚さであることを特徴とする請求項１から１７いずれか１項記載のモード同期固体レーザ装置。
  19. 前記負分散ミラーにおいて、前記所定の波長をλとしたとき、前記ミラー機能層を構成する各層の光学膜厚が、λ／８以上かつλ／２未満の厚さであることを特徴とする請求項１から１８いずれか１項記載のモード同期固体レーザ装置。
  20. 前記負分散ミラーにおいて、前記ミラー機能層が、相対的に高い屈折率を有する層と、相対的に低い屈折率を有する層とが交互に８層以上積層されてなるものであることを特徴とする請求項１から１９いずれか１項記載のモード同期固体レーザ装置。
  21. 前記負分散ミラーにおいて、前記キャビティ層が、前記高い屈折率を有する層、あるいは前記低い屈折率を有する層と同一の材料で構成されていることを特徴とする請求項２０記載のモード同期固定レーザ装置。
  22. 前記負分散ミラーにおいて、前記高い屈折率を有する層が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｙ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｃｅ、ＰｒまたはＴａの酸化物、およびＺｎの硫化物から選ばれる１つ、または、これらの１つもしくは複数を含む混合物または化合物からなるものであることを特徴とする請求項２０または２１記載のモード同期固定レーザ装置。
  23. 前記負分散ミラーにおいて、前記低い屈折率を有する層が、Ｓｉの酸化物、およびＣａ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｔｈ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｌａ、ＹまたはＺｒのフッ化物から選ばれる１つ、または、これらの１つもしくは複数を含む混合物または化合物からなるものであることを特徴とする請求項２０から２２いずれか１項記載のモード同期固定レーザ装置。
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