JP5563463B2 - 異なるスペクトル透過率を有する２つの出力結合器を備えるモードロック位相安定化レーザ - Google Patents

Description

本発明は、ポンプレーザビーム入力と、レーザ結晶と、ミラーとを有するモードロック短パルスレーザ共振器に関する。ミラーは、例えば、リニア共振器の場合には、少なくとも第１の終端ミラーと第２の終端ミラーとを有し、またリング共振器の場合には、複数の空洞ミラーを有する。好適には、レーザ結晶は、非線形レーザ利得媒質である。

さらにまた、本発明は、このモードロック短パルスレーザ共振器と、レーザ放射をパルスロックするための短パルスレーザ共振器に結合されるＣＥＰ（Carrier Envelope Phase：キャリアエンベロープ位相）安定化装置とを含む短パルスレーザの配置について言及する。

モードロック短パルスレーザ共振器（発振器）、具体的にはフェムト秒レーザ共振器は、米国特許５０７９７７２Ａなどで、周知である。このようなレーザ共振器によって生成されるレーザ放射は、放射帯域が広く、例えば波長範囲は、約６５０[ｎｍ]〜約１０５０[ｎｍ]である。このレーザ共振器と組み合わせて、レーザ増幅器を使用することもまた公知である。このレーザ増幅器は、D. StricklandとG. Mourouとによる「増幅されたチャープ光パルスの圧縮（Compression of amplified chirped optical pulse）」（Optics Communications 55(6) １９８５年１０月１５日、４４７ページ〜４４９ページ）などで開示される。この文献は、参照することによって、本明細書に包含される。このようなモードロック短パルスレーザ共振器が有する１つの問題は、位相及び周波数の安定化である。この安定化の概念は、米国特許６７８５３０３Ｂ１と、米国特許６７２４７８８Ｂ１とにより対処される。特に、位相を整合するために、分離した比較的複雑な干渉計型のユニットが提案される。

一方、米国特許３７７２６０９Ａにおいて、２重出力システムを有するレーザ空洞構造が提案される。能動レーザ媒質を含み、かつ２つの異なるレーザ周波数（波長）を作り出すレーザ空洞構造に結合される２つの出力カップリングミラーを有するレーザを開示する。一方の終端ミラーは、これら２つの波長の第１の波長において、反射性が高く、第２の波長において、透過性が高い。他方の終端ミラーは、第２の波長において、反射性が高く、第１の波長において、透過性が高い。したがって、第１のミラーは、第２の波長を有するレーザビームを結合出力し、第１の波長を反射するように配置され、第２のミラーは、第１の波長を結合出力し、第２の波長を反射するように配置される。この２つのレーザ波長を生成することの根拠は、ブリュースター窓を終端ミラーとして有するプラズマ管などのレーザ空洞が、このような２つの異なる波長を生成することである。異なるレーザ波長は、異なる目的に使用でき、一方の動作モードから他方の動作モードにレーザ共振器を切り替えることを要しない。

この２重の周波数レーザシステムとは反対に、一般的なモードロック短パルスレーザ共振器は、上述したように帯域が広いレーザ放射を作り出す。それにも関わらず、他方の動作の短パルスモードと比較して出力が低いレーザ放射を生成する動作の短パルスモードを使用できる米国特許７１７２５８８Ｂ２に開示されるレーザの配置のような、異なる特性を有するレーザ放射が有用であり、一方の動作のモードから他方の動作モードに切り替える必要がないことが望ましい応用が考えられる。具体的には、位相安定化装置を有するレーザの配置、特に共振器に結合するレーザ増幅器を有するレーザの配置において、異なる特性を有するレーザ放射を使用することが望まれるであろう。

したがって、本発明の目的は、モードロック短パルスレーザ共振器を提供することと、このモードロック短パルスレーザ共振器を有する短パルスレーザの配置を提供することである。ここで、特性が異なるレーザ放射は、直ちに取得することができ、一方の動作モードから他方の動作モードにレーザ共振器を切り替えることを要しない容易な構造である。

本発明の他の目的によれば、異なる分光特性を有するレーザ放射を同時に出力して、このレーザ放射を、一方でレーザの位相安定化手段に供給し、他方で短パルスレーザ増幅器に供給することが可能であるレーザ手段を提供することを目的とする。

上述の問題を解決するために、独立クレームに規定されるように、本発明は、モードロック短パルスレーザ共振器と、短パルスレーザ配置とを提供する。本発明の好適な実施形態は、従属クレームに規定される。

本発明に従うと、ポンプレーザビーム入力と、好適にはＴｉ：サファイア（Ｔｉ：Ａｌ₂Ｏ₃）などの非線形レーザ媒質であるレーザ媒質と、共振器ミラーとを有するモードロック短パルスレーザ共振器が提供される。具体的には、発振器は、レーザ放射を結合出力する２つの出力結合器ミラーを有し、これらの第１の出力結合器ミラーは、第１の分光特性を有するレーザ放射を結合出力するように配置され、第２の出力結合器ミラーは、第１の分光特性と異なる第２の分光特性を有するレーザ放射を結合出力するように配置される。例えば、共振器のレーザ放射の異なるスペクトル部分は、２つの出力結合器を介して結合出力できる。さらに、帯域が異なるにも関わらず、波長の中心が同一であり、電力が同一及び／又は異なる放射を結合出力することが可能になるであろう。また、波長の中心が異なり、異なる又は同一の帯域を有し、かつ異なる又は同一の電力を有するスペクトルを備える放射部を結合出力することが可能になるであろう。これは、それ自体が公知であるミラーの層構造に依存する特定の透過特性と分光強度特性とを有する適当な出力結合器ミラーを選択することにより達成できる。

具体的には、第１の出力結合で結合出力するレーザ放射を、それ自体は公知であるＣＥＰ安定化装置に供給して、モードロック短パルスレーザ共振器の安定化を提供できる。このＣＥＰ安定化装置は、具体的には、差周波発生（ＤＦＧ）手段、又はｆ：２ｆ干渉計手段を入力段として有する。第１の終端ミラーは、ＣＥＰ安定化装置のＤＦＧ（又は干渉計）手段に第１の分光特性を有するレーザ放射を供給する。ここで、比較的広帯域、かつ低電力であるレーザ放射をＣＥＰ安定化装置に供給することは有用であろう。これとは反対に、第２の終端ミラーに結合出力するレーザ放射は、比較的狭帯域、かつ高電力を有する放射にすべきである。このような放射は、レーザ放射をシードする（seed）ときにレーザ増幅器に供給できるが、原理的にそれ自体は公知である。

したがって本発明は、上述のように、第１の分光特性を有するレーザ放射を受光するための第１の出力結合器ミラーに結合されるＣＥＰ安定化装置と組み合わせるとともに、第２の出力結合器ミラーから第２の分光特性を有するレーザ放射を受光するレーザ増幅器と組み合わせて、第１のモードロック短パルスレーザ共振を有する短パルスレーザの配置も提供する。

例えば、第１の終端ミラーを介して結合出力される第１のレーザ放射の比較的低い電力は、分光強度が１[ｍＷ／ｎｍ]より小さい。これとは反対に、第２の終端ミラーを介して結合出力され、かつ第１のレーザ放射と比較するときと大きい電力を有するレーザ放射は、１[ｍＷ／ｎｍ]より大きい分光強度を有する。

本発明の応用の他の範囲は、出力パルスの完全な同期性から恩恵を受ける。帯域、波長の中心、及び／又はパルス長が異なるにも関わらず、双方の出力パルスが同一のレーザ共振器で生成されるという事実によって、常に完全に同期される。互いに同期する２つの異なる共振器は、代替的なものとすることになるであろう。種々の安定化システムが利用可能であるが、同期化には、１つではなく２つのレーザ共振器と、付加的にロックする電子装置とを必要とする。２つの同期化した共振器の間に生じるジッタは、決してゼロに等しくはならないであろう。反対に、本明細書で説明される共振器から、パルスは、タイミングジッタを有しないか、又は２つの異なる共振器で生成されるパルスと比較して、非常に小さなタイミングジッタを有することが仮定できる。同期するパルスの応用の一例は、フーリエ変換コヒーレント・アンチストークス・ラマン散乱（ＣＡＲＳ）である。「干渉計フーリエ変換コヒーレント・アンチストークス・ラマン散乱（Interferometric Fourier transform coherent anti-Stokes Raman scattering）」（Optics Express ２００６年９月４日 Vol.１４ No.１８、８４４８ページ〜８４５８ページ）参照のこと。

本発明のさらなる詳細及び有利な点は、添付図面に関連して示される以下の説明から明確に理解されるであろう。

モードロックレーザ共振器と、レーザ増幅器と、ＤＦＧ入力段を備えるＣＥＰ安定化装置と有する、本発明に従う短パルスレーザ配置の実施形態の回路を概略的に示す図である。 モードロックレーザ共振器と、レーザ増幅器と、干渉計入力段を備えるＣＥＰ安定化装置と有する、本発明に従う短パルスレーザ配置の実施形態の回路を概略的に示す図である。 折り畳み構造を有し、ポンプレーザ放射が供給される短パルスレーザ共振器の構造の好適な実施形態を概略的に示す図である。 リング構造を有し、ポンプレーザ放射が供給される短パルスレーザ共振器の構造の好適な実施形態を概略的に示す図である。 図３（又は図４）の短パルスレーザ共振器の第１の出力の透過率と、スペクトル強度とを概略的に示す図である。 図３（又は図４）の短パルスレーザ共振器の第２の出力の透過率と、スペクトル強度とを概略的に示す図である。 Ｔｉ：サファイア結晶などのレーザ共振器に使用する一般的なレーザ結晶の増幅器特性を、強度（任意単位）と波長（μｍ）とで示す図である。

図１及び図２において、２重出力フェムト秒発振器２を有する短パルスレーザ配置１が示される。２重出力フェムト秒発振器２は、具体的には図３又は図４に示すレーザ共振器である、キャリアエンベロープ位相（ＣＥＰ）安定化を備えるモードロック短パルスレーザ共振器である。このレーザ共振器又は発振器は、本明細書では簡単に共振器とも称され、比較的広帯域を有するレーザ放射用の第１の出力３と、第１の出力３と比較すると、比較的狭い帯域を有するレーザ放射用の第２の出力４とを備える。例えば、第１の出力３において、レーザ放射は、８０［ＭＨｚ］のパルスレートと、１．４［ｎＪ］のパルスエネルギとを有し、共振器２のレーザ放射の振動の約５％を結合出力する。また、第２の出力４において、レーザ放射は、８０［ＭＨｚ］のパルスレートを有すが、ここで約６［ｎＪ］のパルスエネルギを有し、このレーザパルスは、それ自体が公知である構造で、具体的にはフェムト秒レーザ増幅器であるレーザ増幅器５をシードするために使用する。このレーザ増幅器５の出力６において、１〜１０［ｋＨｚ］のパルスレートと、１〜５［ｍＪ］など数［ｍＪ］のオーダのパルスエネルギとを有するレーザ放射を取得する。したがって、このレーザ増幅器５は、供給されるレーザパルスを増幅して、より高いパルスエネルギを取得する機能を有する。

レーザ共振器２の第１の出力３は、キャリアエンベロープ位相安定化装置７に結合される。キャリアエンベロープ位相７は、本明細書では以降簡単にＣＥＰ安定化装置、又はより簡単にＣＥＰ装置７とする。このＣＥＰ装置７は、入力段、つまり差周波発生（簡単にＤＦＧ）手段８（図１）、又はｆ：２ｆ干渉計手段８´（図２）を有する。この入力段８又は８´はそれぞれ、共振器２の第１の出力３に結合される入力を有し、位相ロック電子装置９に出力する差周波数などを提供する。以下で説明されるように、後者は、それ自体が公知である光カー効果によって、共振器２の非線形利得媒質内部の光学経路と、内部空洞パルスエネルギとの調整ために使用する音響光学変調器（ＡＯＭ）１０に供給する制御信号を生成する役目を果たす。

より詳細には、（「Coherent社製Verdi」などのような）周波数２倍化単一周波数Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザなどのポンプレーザ１１（無変調連続波（ＣＷ）レーザ）を使用して、ｆｓ（ｆｓ−フェムト秒）共振器２にＡＯＭユニット１０を介して単一周波数のポンプレーザ放射を供給する。

図３、及び図４に従って、共振器２は、非線形Ｔｉ：ＡＬ₂Ｏ₃結晶（Ｔｉ：サファイア結晶）の形などである能動レーザ媒質（いわゆる利得媒質）１３に供給されるポンプレーザビームを受光する。すなわち、レンズＬ１と、(周知のカーレンズモード同期効果に従って）レーザポンプビームを透過する傾向があるが、共振器２において構成されるレーザパルスを反射する傾向がある凹面ダイクロイックミラー（concave dichroic mirror）Ｍ１とを介して受光される。さらに、図３に従うと、ミラーＭ２、Ｍ３、及びＭ４を使用して、レーザ共振器２を構成する。これらのミラーＭは、いわゆるチャープミラーにできる。離れた２つの終端ミラーＯＣ１及びＯＣ２は、共振器２に提供され、これらの終端ミラーＯＣ１及びＯＣ２において、レーザ放射のそれぞれの部分が結合出力される。例えば、終端ミラーＯＣ１において５％が結合出力され、終端ミラーＯＣ２において２９％が結合出力される。したがって、終端ミラーＯＣ１は、第１の出力３を形成し、終端ミラーＯＣ２は、第２の出力４を形成する。用語「ＯＣ」は、このような出力結合器ミラー（ＯＣ−出力結合器（outcoupler））を称するために一般的に使用される。リング発振器が共振器２として示される図４の実施形態において、ミラーＭ３及びＭ４は、出力結合器ミラーＯＣ１及びＯＣ２である。これに加えて、図３に示す同一の符号番号を有する図４の構成要素は、対応する要素である。

出力結合器ミラーＯＣ１及びＯＣ２は、基板＋（ＨＬ）ⁿの構造に従う単純なブラッグ多層膜（Bragg multilayer）にできる。ここで、Ｈは、反射係数が高い層を称し、Ｌは、反射係数が低い層を称する。例えば、Ｈ層は、８００［ｎｍ］の波長において、λ／４の光学的厚さを有するＴｉＯ₂を備え、Ｌ層は、８００［ｎｍ］において、同一のλ／４の光学的厚さを有するＳｉＯ₂を備える。ここで、ｎは、層数であり、またそれに応じて透過特性に依存する周期の数である。例えば、透過率Ｔ＝５％、ｎ＝５において、これは、終端ミラー（第１の出力結合器ミラーＯＣ１）が、基板＋（ＨＬＨＬＨＬＨＬＨＬ）の構造を有することを意味し、透過率Ｔ＝２９％、ｎ＝３において、これは、終端ミラー（第２の出力結合器ミラーＯＣ２）が、基板＋（ＨＬＨＬＨＬ）の構造を有することを意味する。

透過率のパーセンテージ、波長、及び層数の上述の値は単なる例であり、他の実施形態において他の値が適当である可能性があることを明確にすべきである。

図５において、出力３における図３又は図４の第１の出力結合器ミラーＯＣ１におけるスペクトル強度（＝平均モードロック電力／帯域（ＦＷＨＭ））を任意単位（実線）で概略的に示し、透過率を％（破線）で概略的に示す。上述のように、レーザ放射の５％の部分は、ここで結合出力する。特に選択される出力結合器ミラーＯＣ１は、スペクトル帯域の翼部における波長は、強調される透過特性を有する。これは、６００［ｎｍ］と７００［ｎｍ］との間、及び９００［ｎｍ］と１０００［ｎｍ］との間の波長などで、７００［ｎｍ］〜９００［ｎｍ］の範囲（スペクトルの中心）に対して、透過率が比較的高くなることを意味する。したがって図５に示すように、第２の出力結合器ミラーＯＣ２を参照する図６の図と比較すると、第１の出力結合器ミラーＯＣ１において結合出力されるレーザ放射の６７０［ｎｍ］〜９００［ｎｍ］の帯域などの比較的広範な帯域で、半値全幅（ＦＷＨＭ）に対応する強度である０．５の強度において取得される。半値全幅（ＦＷＨＭ）は、曲線、又は関数における「隆起（bump）」の幅を説明するために一般的に使用されるパラメータである。半値全幅（ＦＷＨＭ）は、関数が最大値の半分に到達する曲線上の位置の間の距離によって与えられる。

これに対して、図６に従うと、第２の出力結合器ミラーＯＣ２は、７００［ｎｍ］〜９００［ｎｍ］などの対象とする波長帯域において、全体的に高い透過率を有するが、第１の終端ミラーＯＣ１（図５）のように、スペクトル帯域の翼部が強調されない透過率（同様に破線で示される）を有する。したがって、０．５のスペクトル強度（ＦＷＨＭ）を示す線において、第２の出力結合器ミラーＯＣ２を介して透過する放射は、図５のミラーＯＣ１の帯域と比較すると、７２５［ｎｍ］〜８８０［ｎｍ］程度のかなり狭い帯域を有する。上述のように、この第２の出力結合器ミラーＯＣ２は、２９％の出力結合係数を提供する。

図３に従うフェムト秒共振器２などの共振器によって取得されるレーザ放射のスペクトルの原理をさらに説明するために、図７は、約０．８［μｍ］（８００［ｎｍ］）において波長の中心を有し、６００［ｎｍ］〜７５０［ｎｍ］の範囲（増加勾配）と、７８０［ｎｍ］〜１０００［ｎｍ］の範囲（減少勾配）とにそれぞれ勾配を有する波長（［μｍ］）がレーザ放射強度（任意単位）に対して示される。この強度特性と、スペクトルの翼部において波長の強調の強弱がある図５、又は図６の透過特性とを結び付けると、図５及び図６に示されるような取得されるスペクトルは、明確になるであろう。

ＣＥＰ装置７は、国際出願２００６／００８１３５Ａ２において開示されるような方法で構成することもできることを主張すべきである。すなわち、光学ＤＦＧ手段８は、酸化マグネシウムをドープした周期分極反転ニオブ酸塩リチウムなどの非線形光学媒質などを有し、位相ロック手段９は、参照することにより本明細書に包含されるこの国際出願２００６／００８１３５Ａ２においてさらに開示されるように、フォトダイオードとして感光装置を有することができる。一方、図３の干渉計手段８´は、参照することにより本明細書に包含される米国特許６７２４７８８Ｂ１に主に示されるような構成にでき、国際出願２００６／００８１３５Ａ２の導入部と、Rudiger Paschottaによる「周波数の櫛と光学的周波数計測（Frequency combs and optical frequency metrology）」（Optische Messtechnik、Photonik ３／２００６、６０ページ〜６３ページ）と比較もできる。

異なる周波数を生成するために、帯域が広いレーザ放射は、有利であるが、放射の電力が低いことは、問題ではない。一方、放射のより多くの部分（例えば２９％）は、フェムト秒レーザ増幅器５をシードするために第２の終端ミラーＯＣ２において結合出力する。ここで、帯域を狭くすることにより、増幅器の限定された帯域により適合する。一方、スペクトル強度を大きくする（限定された帯域でより大きな電力とする）ことにより、増幅器のパルスと、背景放射線との間のコントラストが改良される。

前述のように、本発明は、特定、かつ好適な実施形態を参照して説明されている。しかしながら、様々な変更及び修正が、特許請求の範囲に特に規定される本発明の精神及び範囲を逸脱することなしに、当業者によって提供される可能性がある。つまり、ＯＣミラーにおける透過率のパーセンテージの値、及びスペクトル強度の値などは、当該対象のぞれぞれの応用によって選択できる。さらに、適当な場合、又は必要な場合は、具体的には、出力されるパルスの同期を完全にするために、出力結合器ミラーとして少なくとも１つのミラーをさらに提供することが考えられる。したがって、図３、又は図４に関してそれぞれ、ミラーＭ２もまた、さらに出力結合器ミラーとして使用できる。

Claims (10)

1. 広帯域レーザ放射を作り出すモードロック短パルスレーザ共振器（２）であって、
   ポンプレーザビーム入力（１２）と、単一のレーザ媒質（１３）と、前記レーザ媒質（１３）を介して互いに対向する位置に配置される複数のミラー（Ｍ１、Ｍ２）であって、複数のミラー（Ｍ１、Ｍ２）の間の共通のビーム経路に沿ったレーザビームを反射するように配置される複数のミラー（Ｍ１、Ｍ２）と、前記複数のミラー（Ｍ１、Ｍ２）の間の共通のビーム経路に沿って反射されたレーザビームを結合出力するビーム出力結合器手段と、を有し、前記出力結合器手段は、少なくとも１つの第１の出力結合器ミラー（ＯＣ１）と、第２の出力結合器ミラー（ＯＣ２）とを有し、前記第１の出力結合器ミラー（ＯＣ１）は、第１の分光帯域を有するレーザ放射を結合出力するように構成される層構造を有し、前記第２の出力結合器ミラー（ＯＣ２）は、第２の分光帯域を有するレーザ放射を結合出力するように構成される層構造を有し、前記第１の分光帯域は、前記第２の分光帯域よりも広い、ことを特徴とするモードロック短パルスレーザ共振器（２）。
2. 前記第１の出力結合器ミラー（ＯＣ１）は、前記モードロック短パルスレーザ共振器のためのキャリアエンベロープ位相安定化装置（７）に結合される出力（３）を規定する請求項１に記載のモードロック短パルスレーザ共振器。
3. 前記第１の出力結合器ミラー（ＯＣ１）は、前記キャリアエンベロープ位相安定化装置（７）の差周波発生手段（８）に結合される出力（３）を規定する請求項２に記載のモードロック短パルスレーザ共振器。
4. 前記第１の出力結合器ミラー（ＯＣ１）は、前記キャリアエンベロープ位相安定化装置（７）のｆ：２ｆ干渉計手段（８´）に結合される出力（３）を規定する請求項２に記載のモードロック短パルスレーザ共振器。
5. 前記第１の出力結合器ミラー（ＯＣ１）は、前記第２の出力結合器ミラー（ＯＣ２）を介して結合出力されるレーザ放射よりも分光強度が小さいレーザ放射を結合出力するように構成される請求項１〜請求項４の何れかに記載のモードロック短パルスレーザ共振器。
6. 前記第１の出力結合器ミラー（ＯＣ１）を介して結合出力される前記レーザ放射は、分光強度が１[ｍＷ／ｎｍ]より小さく、前記第２の出力結合器ミラー（ＯＣ２）を介して結合出力される前記レーザ放射は、分光強度が１[ｍＷ／ｎｍ]より大きい請求項５に記載のモードロック短パルスレーザ共振器。
7. 前記第２の出力結合器ミラー（ＯＣ２）は、レーザ増幅器（５）に結合される出力を規定する請求項１に記載のモードロック短パルスレーザ共振器。
8. 請求項１〜７の何れか一項に記載のモードロック短パルスレーザ共振器（２）と、前記モードロック短パルスレーザ共振器（２）にポンプレーザ放射を供給するポンプレーザ（１１）と、前記レーザ放射を位相ロックするために、前記モードロック短パルスレーザ共振器（２）に結合されるキャリアエンベロープ位相安定化装置（７）とを有し、
   前記第１の出力結合器ミラー（ＯＣ１）は、前記モードロック短パルスレーザ共振器（２）のためのキャリアエンベロープ位相安定化装置（７）に結合される出力（３）を規定する、
   ことを特徴とする短パルスレーザの配置（１）。
9. 前記ＣＥＰ安定化装置（７）は、前記第１の出力結合器ミラーに結合される差周波発生手段（８）を有する請求項８に記載の短パルスレーザの配置。
10. 前記第２の出力結合器ミラー（ＯＣ２）の出力（４）は、レーザ増幅器（５）に結合される請求項８に記載の短パルスレーザの配置。

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