JPH0223302A - 光パルスの周波数チャープ補償が出来る誘電体多層膜 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、レーザー用光学系用の誘電体多層膜、特に周
波数チャープ補償を必要とするレーザー光学系に用いる
誘電体多層膜鏡に関する。

〈従来の技術〉 現在のレーザー発振技術中、最高速技術とじてのフェム
ト秒（１フ工ムト秒＝１０””秒）パルスレーザ−技術
の中心となっているものは、衝突モード周期リング色素
レーザー（ＣｏｌｌｄｉＣｏｌｌｄｉｎ　Ｍｏｄｅ−Ｌ
ｏｃｋａｄ　ＣＶ　Ｒｉｎｇ　Ｄｙｅ　Ｌａ５ｅｒ　；
以下ＣＰＭレーザーと云う〕である。このＣＰＭレーザ
ーで光パルスを発生させる場合、共振器内の構成素子に
よって生じる波長分散［光パルスの位相Φ（ω）が波長
によって異なる現象］や自己位相変調〔光自身によって
通過媒質内の屈折率ｎ　（ｔ）が時間的に変化する為、
位相Φ（１）が時間的に変化する現象〕により光パルス
は周波数チャープ〔光周波数ν（１）が時間的に高速掃
引される現象〕を受け、発生した光パルスの幅を広げる
現象が表れる。

従来これら波長分散〔Φ（ω）〕や自己位相変調〔Φ（
ｔ）〕による周波数チャープ補償をする技術として、共
振器内に複数個のプリズムを挿入して、そのプリズムの
通過光路を変えたり、プリズム間の間隔を変える事によ
り周波数チャープ補償をする技術〔例えば、Ｊ、　Ａ、
　Ｖａｌｄｍａｎｉｓ　ａｔ　ａｌ、　ＩＥＥＥＪ、　
Ｑｕａｎｔｕｍ、　Ｅｌａｃｔｒｏｎ、　ＱＥ−２２，
１１２（１９８６））　、共振器内に１対の反射型エタ
ロンであるＧＴ干渉計（Ｇｉｒｅｓ−Ｔｏｕｒｎｏｉｓ
干渉計〕を加え共振器鏡の一部として使用し、その入射
角を変える事により周波数チャープ補償をする技術〔例
えばＪ、　Ｈｅｐｐｎｅｒｅｔ　ａｌ、　Ａｐｐｌ、　
Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、　４７．４５３　（１９８５）
）が知られていて、主に２次の分数［Φ（ω）＝ｄ２Φ
（ω）／ｄω３〕の調整により周波数チャープ補償をし
ている。またレーザー発振器外部で光パルスを圧縮〔外
部パルス圧縮〕する場合には、チャープ補償素子〔周波
数チャープ補償を行う為の光学素子〕として、回折格子
等が用いられていた。

〈発明の解決しようとする問題点〉 光パルスの帳が狭くなって来ると、ＣＰＭレーザーの構
成素子等による３次の分散〔Φ（ω）＝ｄ３Φ（ω）／
ｄω３〕、およびそれ以上の高次の分数がパルス幅を広
げてサブパルスを発生する為、２次の分散のみならず３
次以上の高次の分散をも考慮する必要が生じてきたが、
上記の従来の技術では周波数チャープ補償をする為に主
に２次の分散しか考慮していない。また、ＣＰＭレーザ
ーの発振のみに関係する構成素子の他にチャープ補償素
子を共振器内に挿入しなければならず、共振器全体の構
成素子数が増し、レーザーの調整が非常に複雑になって
しまうと云う２つの重要な問題点があった。また、外部
パルス圧縮する場合には、前記回折格子等の反射率が低
く、高３次分散を有すると言う問題点が存在する。

そこで本発明は、基本的構成素子である共振器鏡や出力
鏡をチャープ補償素子とし、このチャープ補償素子で、
２次の分散のみならず３次以上の高次の分散をも補償し
てしまうことによって、従来技術の２つの欠点を解決す
る光パルスの周波数チャープ補償が出来る光学素子を提
供するものである。また外部パルス圧縮する場合、高反
射率、低３次分散の光パルスの周波数チャープ補償が出
来るチャープ補償素子を提供するものである。

く問題点を解決しようとするための手段〉本発明の光パ
ルスの周波数チャープ補償が出来る誘電体多層膜は、例
えば第２図の概略断面図に示す様に、少なくとも２種類
以上の違った屈折率の層を交互に積層した光干渉膜を１
スタックとし、第１図の概略断面図に示す様に、少なく
とも２スタック以上積層して〔第１図はスタック数Ｓの
多層膜を示し、第２図はそのに番目のスタックの構成を
示し、その暦数はＬである〕これらの各スタックの中心
波長が異なるようにする。すなわち、それらの層の光学
的膜厚をそれらの層が含まれるスタックの中心波長λ阪
のほぼ４分の１波長〔λ７／４〕膜〔必要ならばλｗ、
／２膜、λに／８膜、あるいはそれら以外の厚さの膜を
含む〕としたことを特徴す−る。このようなマルチスタ
ック誘電体多層膜を反射鏡とする場合、その２次の分散
や３次以上の高次の分散の波長依存性は空気に近い側の
スタックのそれらに強く依存し、一方基板側に近いスタ
ックはマルチスタック誘電体多層膜鏡の反射率に主に関
与する事を、多くの検討および研究により本発明者達は
発見した。

３次の分散まで周波数チャープ補償をする上記マルチス
タック誘電体多層膜鏡を設計するには、次の様にする。

入射光パルスの波長λｄ〔使用すび反射率Ｒ０を与えよ
うとする時、スタックの数Ｓと８個のそれぞれのスタッ
クの中心波長とそれらのスタックに含まれる層の数りを
変化させ、それらの層の光学的膜厚をそれらの層が含ま
れるスタックの中心波長λ五の主にλ１／４膜とし、３
次の分散の波長依存性を小さくする為に４次の分散が零
となる波長λ１．。がλ！と等しくなり、３次の分散が
零となる波長λ１．。で２次の分散がΦ、となる構成を
見つける。得られた多くの組合せの中から、λ−で３次
の分散がΦ４、反射率がＲｏであり、λ３．。がλ、付
近であることを満足する構成を選択する。

この光パルスの周波数チャープ補償が出来る誘電体多層
膜は、レーザー共振器鏡および出力鏡、あるいは外部パ
ルス圧縮をする場合の周波数チャープ補償素子として１
枚で使用する必要はなく。

光学系全体で補償を必要とされる周波数チャープの大き
さを複数枚で合成して補償する事も出来る。

薄膜を形成するために積層される物質は、可視域におい
て高屈折率層として用いられるものとしては、Ｔｉｅｔ
、Ｔａ、Ｏ，、ＺｒＯ２、Ｃａ　Ｏ，、ＺｎＳ、Ｔｈｅ
２、Ｈｆ　Ｏ，、Ｎｂ、Ｏｓ。

Ｐ　ｒ、０１１等、およびそれらの混合物、同様に、低
屈折率層として用いられるものは、ＭｇＦ、、Ｓ　ｉ　
Ｏ，、Ｎａ５Ａ１３Ｆ、、、Ｎａ、ＡＩ　Ｆ、。

ＣａＦ、等、およびそれらの混合物、また同様その中の
屈折率層として用いられる物質は、ｙ、ｏ、、ＰｂＦ、
、Ｍｇｏ、Ａｌ２Ｏ，、ＣｅＦ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｗｏｌ
、ＭｏＯ３等、およびそれらの混合物が一般である。、
しかし、使用される物質はこれらに限定されるものでは
なく、この誘電体多層膜鏡が使用される波長域で、仕様
に最適な少なくとも２種類以上の違った屈折率の物質を
選び、交互に積層すれば、その使用波長での光パルスの
周波数チャープ補償が可能である。

従って、可視域だけでなく、γ線域から赤外域までのチ
ャープ補償素子に用いられる誘電体多層膜に応用するこ
とが出来る。

く作用〉 誘電体多層膜に入射した光パルスは、一部は反射波とな
り一部は透過波となるが、各々誘電体多層膜の構成によ
り位相シフトを受ける。

レーザ用素子として用いられる誘電体多層膜鏡の反射率
（Ｒ）は複素振幅反射率（ｒ＝ｌｒｅｘｐ　（ｉΦｒ　
（Ｋ　）　）　＝ｒ　ＲＥＡＬ＋　ｒ　＋ＭｌｌＧで表
される〕を用いて、Ｒ＝　ｒ　＊　ｒ　　で表され、そ
の反射波はΦ１＝　ｔ　ａ　ｎ−１（ｒ　＋Ｍｉａ／　
ｒａｔＡＬ）なる波長依存性を持つ位相シフトを受ける
。現在問題としている２次の分散や３次以上の高次の分
散はΦ。

（に）を間隔Δに〔＝Δ１／λ；波数〕で数値機＝　ｄ
２Φ（に）／ｄに２；Ｃは光速〕、Φ、（ω）＝〔Φｒ
（に）＝ｄ４Φ（に）／ｄに月−−−−として複素振幅
反射率を与える多層膜マトリックス計算を用いて計算機
により求められる。

以下、反射波のＰ偏光に対して周波数チャープ補償をす
る誘電体多層膜について説明するが、Ｓ偏光に対して、
また透過波に対して本発明が適用出来ないと言う事では
ない。記号Φ、（ω）、Φ、（ω）、・・・・は、以下
、単にΦ、Φ、・・・・と記載する。

本発明の光パルスの周波数チャープ補償が出来る誘電体
多層膜をシングルスタック誘電体多層膜とする場合、各
層の光学的膜厚をそのスタックの中心波長λ。の　λ。

／４膜とし、また必要ならばλ、／２膜、λ、／８膜、
あるいはそれら以外の厚さの膜を含み、２種類以上の違
った屈折率の層を交互に積層すると、その中心波λ。よ
り入射光パルスの波長λｄが短波長側となる場合、正の
群速度分散〔Φく０〕となり、逆にその中心波長λ。

より入射光パルスの波長λ−が長波長側となる場合、負
の群速度分散〔Φ〉０〕となる。この性質を利用して、
入射光パルスの波長とシングルスタック誘電体多層膜の
中心波長をずらして周波数チャープ補償をすることが出
来るが、高反射率を維持しながら、ある程度以上の大き
な２次の分散の値〔例えば、Ｉ　Ｘ　Ｉ　Ｑ　−２’　
８２以上〕や３次以上の高次の分散の調整が出来なくな
る事が、多くの計算の結果明らかになった。

本発明の光パルスの周波数チャープ補償が出来る誘電体
多層膜は、少なくとも２種類以上の違った屈折率の層を
交互に積層して形成した多層膜を１スタックとし、中心
波長が異なるスタックを少なくとも２スタック以上を持
つ積層構造で、各層の光学的膜厚をその層が含まれるス
タックの中心波長λ。の主にλ。／４とし、この多層膜
をレーザー用共振器鏡および出力鏡、あるいは外部パル
ス圧縮をする場合のレーザー光学系に用いることによっ
てチャープ補償素子として作用させるものである。

〈実施例〉 以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発
明の範囲は以下の実施例によりなんら制限されるもので
はない。

実施例は、スッタク数Ｓを２とし、２種類の違った屈折
率〔高屈折率と低屈折率〕の層を選び、Ｐ偏光の光パル
スに対し２次の分散はほぼ〜２＊１　（）　−２０ｓ２
で、３次の分散は極力小さく〔１〜２＊　ｌ　Ｑ　−４
２ｓ　３　）なるようにした、上記高屈折率層としてＴ
　ｉＯ２（ｎ　ｎ　＝　２　、２５　）　、上記低屈折
率層として５ｉｏｎ　（ｎｔ＝１．４８３　、基板とし
てＢＫ−７（ｎｓｕａ　＝１，５２）、入射媒質を空気
（ｎＡ＋ｉ＝１．’Ｏ）として設計し、一般的に行われ
る真空蒸着法により多層膜の製作を行った。使用波長領
域は６２５ｎｍ〜６４５ｎｍである。

本実施例の多層膜は第３潟に示すＣＰＭレーザに使用さ
れる。鏡１、鏡６、鏡７には平面鏡が用いられ、レーザ
ー色素１０の両側のｆｉ２、ＪＲ３と可飽和色素１１の
両側のＩＩ４．１１５は凹面鏡である。励起光８でレー
ザー色素１０を励起し、色素レーザー光９が鏡１に３．
５°で入射し、また鏡Ｓには１０”　、１６には４５＠
で入射する様にレーザー系が組み立てられている。色素
レーザー光９は可飽和色素１１を通過することにより、
パルス化され、その波長帯は６２５止から６４５ｎｍと
ナル〔その波長帯の中心６３５ｎｍをλｄとする〕。

実施例の 第３図中、ＩＩｔｌを１枚で周波数チャープ補償をする
様に設計された誘電体多層膜鏡とする。

、ｌツク数Ｓを２、基板側スタックＳＬの層数Ｌ１が２
４、空気側スタックＳ２の層数Ｌ２が８である２スタッ
クの合計３２層の構成で、基板側の中心波長λ、と空気
側の中心波長λ２は入射角θが００で、スタックＳ、が
６０１．９ｎｍ、スタックＳ２が４８９．１ｎｍ、とし
た。スタックｓ１に含まれる層の光学的膜厚は、そのス
タックの中心波長λ□のλ１／４膜、スタックＳ２に含
まれる層の光学的膜厚は、そのスタックの中心波長λ２
のλ２／４膜とした。

この誘電体多層膜鏡は入射角θが３．５°で使用され、
この入射角θでの２次の分散の最大値Φ１は第４図に示
す様に、３次の分散が零となる波長λ１．。＝６４２ｎ
ｍにおいて、１．９７＊１Ｑ−２０３２である。また３
次の分散の最大値Φ１は色素レーザー光９の波長帯の中
心である波長λａ　［＝６３５ｎｍ；　４次の分散が零
となる波長λ４．。に等しくなる様に設計されている］
で、１゜８５　＊　１０−”ｓ３である。反射率は第５
図に示す様に使用波長領域で９９．９％以上である。

実施例■ ３枚の多層膜鏡で周波数チャープ補償をする様に設計さ
れた誘電体多層膜鏡で、第３図中、ｌｉｌ、鏡５および
鏡６に使用される。

ｆｉｌに使用されるものは、スタック数Ｓを２、基板側
スタックＳ１の層数Ｌ１を２４、空気側スタックＳ２の
層数Ｌ２を６である２スタックの合計３０層の構成で、
中心波長λ１とλ２は入射角θが０″の場合、Ｓ２が６
３０．５ｎｍ、Ｓ、が４４８゜８ｎｎ＋とした。それぞ
れのスタックに含まれる層の光学的膜厚は、それぞれλ
１／４と、λ２／４とした。

この誘電体多層鏡は入射角θが３．５°で使用され、こ
のθでのΦ、は第６図に示す様に、λ３゜ａ＝６４８ｎ
ｍにおいて、　６．９３　＊　１０−”ｓ２である。Φ
１はλ４　（＝６３５　ｎｍ　；λ４ｊＯに等しくなる
様に設計されている〕で、３．９０＊１Ｏ−４３ｓ３で
ある６反射率は第６図に示す様に使用波長領域で９９．
９％以上である。

鏡５に使用されるものは、Ｓを２、Ｓｌのり、を２４、
Ｓ２のＬ２を６である２スタックの合計３０層の構成で
、λ１とλ２はθが０８で、Ｓ工を６３２．８ｎ＋＊、
Ｓ２を４５２．４ｎｍ、とした、それぞれのスタックに
含まれる層の光学的膜厚は、それぞれのスタックの中心
波長のλ、／４λ２／４とした。

この誘電体多層膜はθが１０°で使用され、このθでの
Φ、は第８図に示す様に、λ３．。＝６４８ｎｍにおい
て６．９２木１Ｏ−２ｓｓ２である。

Φ、はλ−（＝６３５ｎｍ；λ４．。に等しくなる様に
設計されている〕で、３．８９　＊　１０””ｓ３テす
る。反射率は第９図に示す様に使用波長領域で９９．９
％以上である。

第３図中、鏡６に使用されるものは、Ｓを２、Ｓ工のＬ
２を２４、Ｓ２のＬ２　を６である２スタックの合計３
０層の構成で、λ１とλ、はθが０″で、Ｓｌが６７１
．３ｎｍ、Ｓ２が５２２，７ｎｍ、とした。

それぞれのスタックに含まれる層の光学的膜厚は、それ
ぞれλ、／４とλ２／４とした。

この誘電体多層膜鏡はθが４５°で使用され、このθで
のΦ、は第１０図に示す様に、λ１．。＝６４９ｒｖに
おいて７．１０本１０−２８８２である。

Φ。はλ、ｌ（＝６３５ｎｍ；λ４．。に等しくなる様
に設計されている〕で、３．８５＊１０−”ｓ３である
。反射率は第１１図に示す様に使用波長領域で９９．９
％以上である。

この実施例は、第３図において、鏡１、鏡５、鏡６に３
枚で使用され、その合成された２次の分散の最大、値Φ
１は６４８ｒｖにおいて２．０９＊１　（）−ｘａＳｘ
、また３次の分散の最大値Φ１は６３５ｎｎ＋において
１．１６木１０−４２８３である。

（発明の効果〉 以上説明した様に、本発明によれば、少なくとも２種類
以上の違った屈折率の層を交互に積層したマルチスタッ
ク誘電体多層膜を共振器鏡または出力鏡に設けることに
よって、レーザー共振器を構成する光学素子それ自体を
、レーザー共振器内で生じた周波数チャープに応じたチ
ャープ補償素子として、周波数チャープ補償が出来る。

必要なうＬｌ’複数枚使用して合成することによってさ
らに補償を精密なものにすることができる。また外部パ
ルス圧縮する場合でも、レーザー共振器内で生じた周波
数チャープ補償素子としてマルチスタック誘電体多層膜
をレーザー共振器外のレーザー光学系で使用する事で周
波数チャープ補償が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光パルスの周波数チャープ補償が出来
る誘電体多層膜の概略断面図、第２図は第１図の多層膜
の部分構成を示す概略断面図、第３図は本発明の誘電体
多層膜が使用される、ＣＰＭレーザーの光学配置図、第
４図と第５図は実施例■のＰ偏光の２次の分散と３次の
分散の波長依存特性図と分光特性図、第６図と第７図、
第８図と第９図、第１０図と第１１図は、それぞれ他の
実施例のＰ偏向の２次の分散とへ次の分散の波長依存特
性図と分光特性図である。 １：共振器鏡　Ｍｌ、２：共振器鏡　Ｍ２．３：共振器
鏡　Ｍ３．４：共振器鏡　Ｍ４．５：共振器鏡　Ｍ５．
６：共振器鏡　Ｍ６．７：出力鏡Ｍ７．８：励起光　９
：色素レーザー光　１０：レーザー色素　１１：可飽和
色素 特許出頭人　　工業技術院長 飯塚幸三 （他１名） 出願人復代理人　弁理士　佐藤文男 （他２名） 第 図 第 区 第 図 波 長 （ｎｍ） 第 図 及 長 （ｎｍ　） 第 図 ６１、０ 波 長（＋１ｒｎ） 第 図 彼 長 （ｎｍ） 手続補正口（自発） 平成１年１０月１１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　少なくとも２種類以上の違った屈折率の層を交互に
   積層した誘電体多層膜を１スタックとし、少なくとも２
   スタック以上積層するとともに、これらの各スタックの
   中心波長が異なるようにすることにより、２次の分数の
   補償だけでなく、３次以上の高次の分散の補償も行う事
   を特徴とする光パルスの周波数チャープ補償が出来る誘
   電体多層膜。 ２　各層の光学的膜厚は、主としてその層が含まれるス
   タックの中心波長λ＿０の４分の１膜厚であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の光パルスの周波数
   チャープ補償が出来る誘電体多層膜。 ３　前記多層膜は、光学的膜厚がその層が含まれるスタ
   ックの中心波長λ＿０の２分の１膜厚或いは８分の１膜
   厚の層を含むことを特徴とする特許請求の範囲第２項記
   載の光パルスの周波数チャープ補償が出来る誘電体多層
   膜。 ４　前記光パルスの領域とは、γ線域、Ｘ線域、極短紫
   外域、真空紫外域、紫外域、可視域、赤外域を含む領域
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項および第
   ２項記載の光パルスの周波数チャープ補償が出来る誘電
   体多層膜。 ５　前記誘電体多層膜は、レーザー共振器を形成する光
   学素子上に設けられ、誘電体多層膜鏡とされていること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第５項の何れ
   かに記載の光パルスの周波数チャープ補償が出来る誘電
   体多層膜。