JPH0653577A

JPH0653577A - 波長可変固体レーザ発振装置

Info

Publication number: JPH0653577A
Application number: JP4218698A
Authority: JP
Inventors: Takamichi Kobayashi; 尊道小林; Naoya Hamada; 直也浜田; Yuichi Tanaka; 佑一田中
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1992-07-27
Filing date: 1992-07-27
Publication date: 1994-02-25

Abstract

(57)【要約】【目的】連続波レーザ光とＱスイッチレーザ光の双方
を用いて波長可変固体レーザ媒質を励起することで、単
一のレーザ媒質にて極短パルスレーザ光を増幅し、高ピ
ーク光強度を有する極短パルスレーザ光を効率よく発生
せしめる波長可変固体レーザ装置を得る。【構成】レーザ媒質１の励起光源として連続波レーザ
光２と、Ｑスイッチレーザ光３を配置し、２枚以上の反
射鏡６，７，８，９により共振器を構成し、該共振器が
モード同期発振機能を有する構成をなす。そして、共振
器を構成する該反射鏡のうち、２枚以上の反射鏡に励起
光に対して高透過率を有し、発振光に対して高反射率を
有する二色性反射鏡５，６を設け、該二色性反射鏡５，
６を透過してレーザ媒質の両端面に導入することを特徴
とする波長可変固体レーザ発振装置を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、波長可変固体レーザ媒
質をレーザ媒質とする波長可変固体レーザ発振装置に於
て、高ピーク光強度を有する極短パルスレーザ光を効率
よく発生させる波長可変固体レーザ発振装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来使用されていたレーザ結晶はネオジ
ウムを遷移元素とし、１．０６４μｍの波長で発振する
ＹＡＧレーザが代表的であるが、近年、発振波長を数１
００ｎｍ程度の範囲で自由に調整できる波長可変固体レ
ーザが注目されている。代表的な波長可変固体レーザ媒
質には０．７〜１．０μｍの範囲で発振するチタンドー
プサファイア（Ｔｉ：Ａｌ₂Ｏ₃）が存在する。

【０００３】固体レーザの励起手段にはランプ励起とレ
ーザ励起に大別できるが、レーザ媒質のレーザ遷移に対
応する光吸収波長域に適合する波長のレーザ光を励起光
源に用いる手法は、ランプ励起と比較するとレーザ媒質
の高効率励起が可能で、かつ励起に伴うレーザ媒質の発
熱が少ないため、熱レンズ効果をおさえた効率の良いレ
ーザ発振を得る有効な手段である。特に、現存している
波長可変レーザ媒質は、励起光を吸収する能力の目安と
なる吸収断面積が小さい材料が、あるいは、励起エネル
ギーを保持する時間である上準位寿命が短い材料である
ため、これらの欠点を補うためには効率よい励起方法で
あるレーザ励起が必要であり、ランプ励起には不向きで
ある。数ある波長可変レーザ媒質の中でも、波長可変域
が特に広いため、実用上重要とされているＴｉ：Ａｌ₂
Ｏ₃に関しては、上準位寿命が３μｓｅｃと短いために
（ＹＡＧ結晶の１／７７）短時間で効率よく強励起を行
うことが必須であり、アークランプによる連続励起では
発振に至ることは非常に難しい。また、上準位寿命と同
程度の時間幅を有するフラッシュランプにてパルス励起
をする場合、数μｓｅｃという短いパルス幅ではレーザ
媒質に大エネルギーを投入することはできず、大エネル
ギー出力は望めない。また、短い時間幅のフラッシュラ
ンプはランプの寿命が極めて短いため実用的ではない。

【０００４】ところで、共振器中に存在する多数の縦モ
ードの特定の位相を同期させる、即ち、モード同期をか
けることによって時間幅の短い極短パルスで高ピーク強
度のレーザ光が得られる技術が公知となっている。特開
平３−４５７９号公報にはこの技術を連続レーザ励起波
長可変固体レーザに応用する例が開示されている。しか
し、さらなる高ピーク出力化のためには、平均出力の大
きな連続レーザを用いて波長可変固体レーザ媒質を励起
する必要があり、その結果、レーザ媒質の発熱に伴う熱
レンズ効果によって発振効率が低下し、高出力が望めな
い。

【０００５】これを解決する手段として、モード同期の
かかった共振器から高ピーク出力を有する単一の極短パ
ルスを取り出し、これを他の波長可変固体レーザ媒質が
配置してある光増幅器に導入して極短パルスの増幅を行
う方法が、雑誌、"Optics Letters",16,1964-1966,(199
1)に示されている。しかしこの方法では発振器の他に増
幅器が必要なため装置が複雑、大型となり、設置及び調
整が困難になると共に、高価な波長可変固体レーザ媒質
が複数個必要となり、大出力極短パルス発生装置全体と
しての製造価格も著しく高価なものになるという問題点
があった。

【０００６】従来の固体レーザ媒質に於ては、単一のレ
ーザ媒質で高ピーク出力を得る手段としては、雑誌、"O
putics Communication",22,156-160,(1977)に示される
ようにモード同期動作の発振機能を有する共振器内部に
Ｑスイッチ素子を配置することにより、増幅装置を用い
ずに高ピーク出力極短パルスを発生する技術が公知とな
っている。具体的には図６に示すようにＮｄ：ＹＡＧロ
ッド１５、励起用フラッシュランプ１６、集光反射鏡１
７から成るレーザ励起部１８とモード同期素子１９、Ｑ
スイッチ素子２０、反射鏡２１、出力鏡２２から構成さ
れ、フラッシュランプ１６により励起された発振光に対
して、モード同期素子１９によりあらかじめモード同期
をかけて極短パルスを形成し、Ｑスイッチ素子２０によ
り、共振器のＱ値を短時間で変化させてレーザ媒質中の
反転分布量を増加させることにより、高ピーク出力極短
パルスを発生させる手法である。しかしこの方法はフラ
ッシュランプ１６を用いてレーザ媒質を励起するため、
ランプの毎回の発光不安定性に依存して発振光のピーク
値が不安定になるという問題がある。また、ランプの発
光波長帯域はＮｄ：ＹＡＧ結晶のレーザ遷移を引き起こ
す光吸収波長帯域以外の波長を多く含むため、レーザ媒
質に吸収されたレーザ遷移を引き起こさない波長の光
は、レーザ結晶の格子振動による媒質の発熱を促し、熱
レンズ効果と熱歪に起因する複屈折性を引き起こす。

【０００７】レーザ媒質の熱レンズ効果は発振効率の低
下を招き、複屈折性はレーザ発振光の偏光の乱れを生じ
せしめ、ブリュースター角に配置したモード同期素子に
より偏光の乱れた発振光の多くを共振器外部に散逸させ
ることになるため、発振効率の低下は避けられず、高ピ
ーク出力は望めない。また、この方法はレーザ媒質をラ
ンプで励起しているので、吸収断面積が小さく、上準位
寿命が短い波長可変レーザへ応用した場合は上述した理
由により非常に効率の悪い方式となり、実現は困難なも
のとなる。

【０００８】雑誌"IEEE J.Quantum Electron.",QE-13,6
5-66,(1977)にはアークランプで連続励起したＮｄ：Ｙ
ＡＧレーザにモード同期素子によりモード同期をかけ、
共振器外部からＱスイッチ動作を有するＮｄ：ＹＡＧレ
ーザのパルス第二高調波で瞬間的にレーザ励起し、発振
器内部で極短パルスを増幅する方法が示されている。し
かし、前述したごとくアークランプによる連続励起では
波長可変レーザを発振させることは困難であるため、こ
の方式を波長可変レーザに適用することは出来ない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な問題点を解決するためになされたもので、ランプ励起
に不向きであるという波長可変レーザ媒質の欠点を補
い、さらに発振器と増幅器という大型のシステムを構成
することなく、単一の波長可変レーザ媒質で、高ピーク
光強度を有する極短パルスレーザ光を発生させる波長可
変固体レーザ発振装置を得ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の波長可変固体レーザ発振装置は、該レーザ媒
質の励起光源として連続波レーザ光と、Ｑスイッチレー
ザ光を用い、該レーザ媒質の両端面に励起光源をそれぞ
れ導入することを特徴とし、レーザ共振器中にモード同
期素子を配置することによって、高発振効率にて極短パ
ルス波長可変レーザ光を発生し、高ピーク光強度を有す
る極短パルスレーザ光の発生を可能にする。あるいは、
該レーザ媒質の励起光源としてモード同期レーザ光と、
Ｑスイッチレーザ光を用い、該レーザ媒質の両端面に励
起光源をそれぞれ導入し、レーザ共振器が同期励起モー
ド同期共振器で構成されることを特徴とすることによっ
て、高発振効率にて極短パルス波長可変レーザ光を発生
し、高ピーク光強度を有する極短パルスレーザ光の発生
を可能にしたものである。

【００１１】

【作用】以下に本発明を図１に基づいて詳細に説明す
る。まず、モード同期の作用について述べる。ここでは
モード同期素子として音響光学素子１１を使用した場合
に関して説明する。

【００１２】レーザ発振が生じている共振器内部にはレ
ーザ共振器長で決定される周波数間隔を持った複数の縦
モードが存在し、出力に不規則な変動が生じる。ここ
で、音響光学素子１１に高周波電界をかけて音波の定在
波を発生せしめると、これが共振器内部のレーザ光に対
して回折格子の役割を果たし、各縦モード間の位相が揃
い、共振器内部には、周波数間隔Ｆが

【数１】で表され、パルスの時間幅ｔ_pが

【００１３】

【数２】で表される周期性極短パルス列となる。ここで
１は共振器長、ｃは光速、ｎは正整数、△νはレーザ媒
質のスペクトル幅である。

【００１４】

【数１】

【００１５】

【数２】次に、連続波レーザ光２の作用に関して述べる。連続波
励起レーザ光２が波長可変固体レーザ媒質１に連続的に
入射する。すると、レーザ媒質１の下準位状態に存在し
ていたレーザ遷移金属イオンの電子は励起光のエネルギ
ーを吸収して上準位状態に励起され、反転分布が生じ
る。上準位の電子が下準位に遷移する過程に於て、ある
波長幅を有する光を誘導放出し、その光が２枚の反射鏡
８，９の間で増幅されてレーザ発振に至る。その結果、
上記の作用に基づいて、モード同期素子１１により、極
短パルスの発振光が得られる。つまり連続波励起レーザ
光２はレーザ媒質１の反転分布を定常的にある一定量に
維持し、安定にモード同期発振、即ち極短パルス発振を
生じさせる作用を担っている。

【００１６】次に連続波レーザ光と逆側の端面から導入
させるＱスイッチレーザ光３の作用を説明する。Ｑスイ
ッチレーザ光３は数ｎｓｅｃ〜数１００ｎｓｅｃ程度の
時間幅を持ち、繰り返し周波数が数Ｈｚ〜数１０ｋＨｚ
のパルスレーザ光源である。あらかじめ連続発振が実現
しているレーザ共振器内の波長可変固体レーザ媒質１に
対して、Ｑスイッチレーザ光３を用いて断続的に一時的
な強励起を行うと、図３に示すごとく、媒質中の反転分
布量、すなわち媒質の利得が一時的に増加する。利得の
上昇に対応して、発振光の光強度が増加する。Ｑスイッ
チレーザ光３による一時的に増加した反転分布量△Ｎ_q
の全てを発振光として放出したところで光強度の増加は
停止し、連続波レーザ光２の励起により生じる反転分布
量△Ｎ_cwに見合った光強度になるまで発振光強度が急速
に減少する。本来このような発振光の巨大パルスの発生
は共振器の損失即ち共振器のＱ値を急速に変化させ、受
動的に反転分布量を変化させることで得られる。然るに
本作用に於いては、一時的に生じる能動的な反転分布量
の変化により、共振器のＱ値を変化させることなく、利
得スイッチングが生じることにより、瞬間的に高ピーク
化した極短パルス発振光が得られる。現在使用されてい
る固体レーザ媒質の、レーザ遷移間の準位においては、
上準位に蓄積されたレーザ遷移金属イオンの電子が下準
位に遷移するのに必要な時間（上準位寿命τ）は一般に
数μ〜数ｍｓｅｃであり、励起光源であるＱスイッチレ
ーザ光３のパルス幅よりもかなり長い。それゆえ上準位
寿命内の時間で、上記の現象が生じることになる。

【００１７】なお、波長可変固体レーザ媒質に於いて
は、ある特定の電界振幅方向の励起光を効率よく吸収す
る材料が多い。例えば、図４に示すごとく、Ｔｉ：Ａｌ
₂Ｏ₃結晶では、結晶のＣ軸に平行な電界振幅方向を有す
るレーザ光に対する吸収率は、Ｃ軸に垂直な電界振幅方
向を有するレーザ光に対する吸収率よりも倍以上大き
い。それゆえ、２種類の励起レーザ光は共に結晶のＣ軸
に平行な電界振幅方向、すなわち互いに等しい直線偏光
を有するレーザ光を設定する。

【００１８】上記の作用の結果、本発明によって、図５
に示すような、Ｑスイッチ励起レーザ光３の繰り返し周
波数と同期して巨大化した周期Ｔ、時間幅ｔ_pの周期的
高ピーク光強度極短パルスレーザ光が発生する。

【００１９】上記作用においてモード同期機能を有する
素子としては、音響光学素子や電気光学素子に代表され
る能動モード同期素子に限らず、過飽和吸収色素に代表
される受動モード同期素子を使用することも可能であ
り、レーザ媒質自体をモード同期素子として使用する自
己位相変調を用いたモード同期の場合でも、外部共振器
がモード同期の機能を有する外部共振器モード同期の場
合でも同様である。

【００２０】波長可変固体レーザの励起光源として、図
２に示すように連続波レーザ光２の代わりにモード同期
レーザ光１２を用いることも可能である。この場合、モ
ード同期レーザ光１２のパルス周期Ｔ_pに対して、共振
器内に存在するレーザ光定在波の同期をとる必要があ
る。一般に、レーザ共振器内に発生する発振光の定在波
周期Ｔは

【数３】で表される。

【００２１】

【数３】それゆえ、ＴをＴ_pと等しくするべく、共振器長を精密
に制御する必要がある。図２中に示してあるピエゾ素子
１３は、共振器長を制御し、励起レーザであるモード同
期レーザ光１２の周期Ｔ_pと発振光の定在波周期Ｔを等
しくする作用を担っている。以上の作用により、励起レ
ーザの同期周期と同調した波長可変固体レーザのモード
同期発振が生じるので、共振器自体のモード同期作用は
不必要となる。

【００２２】上記作用は波長可変レーザ媒質としてＴ
ｉ：Ａｌ₂Ｏ₃（チタンサファイア）以外にＣｒ：Ｍｇ₂
ＳｉＯ₆（フォルステライト）、Ｃｒ：ＬｉＳｒＡｌＦ₆
（ライサフ）、等の結晶を使用しても同様である。

【００２３】

【実施例】以下、図１に示される実施例に基づいて、本
発明に係わる波長可変固体レーザ発振装置を具体的に説
明する。レーザ媒質１には直径５ｍｍ、長さ３０ｍｍで
チタンを０．０５重量％添加したチタンドープサファイ
ア（Ｔｉ：Ａｌ₂Ｏ₃）結晶を使用しており、水冷されて
いる。レーザ媒質１の両端面は結晶のＣ軸と入射レーザ
励起光源のＰ偏光（紙面と平行な電界振幅を有する直線
偏光）が平行になるように切り出してあり、入射励起レ
ーザ２，３とレーザ媒質１の入射面の法線とのなす角度
が６０°となるよう設置し、ブリュースター角度を満足
している。連続波励起レーザ光源２として発振波長が４
８８．０ｎｍ、５１４．５ｎｍの２波長を主成分とする
アルゴンイオンレーザをＱスイッチ励起レーザ光源３と
して発振波長が５３２．０ｎｍのＱスイッチＮｄ：ＹＡ
Ｇレーザの第二高調波を使用している。これらの波長は
図４からも解るようにＴｉ：Ａｌ₂Ｏ₃の光吸収波長域に
充分適応している。なお、励起光源は双方ともＰ偏光と
し、焦点距離２０ｃｍの集光レンズ４，５を用いて集光
し、レーザ媒質１に入射している。

【００２４】共振器を構成する４枚の反射鏡において、
反射鏡６は、裏面には４８０〜５２０ｎｍの波長に対し
て入射角度が０度の時に９９％以上の透過率を有するコ
ーティングが施され、表面は焦点距離が１０ｃｍの凹面
形状であり、入射角度が１５度の時に７５０〜８５０ｎ
ｍの波長に対して９９％以上の反射率を有し、４８０〜
５２０ｎｍの波長に対して９９％以上の透過率を有する
コーティングが施された二色性反射鏡である。反射鏡７
は、裏面には５３２ｎｍの波長に対して入射角度が０度
の時に９９％以上の透過率を有するコーティングが施さ
れ、表面は焦点距離が１０ｃｍの凹面形状であり、入射
角度が１５度の時に７５０〜８５０ｎｍの波長に対して
９９％以上の反射率を有し、５２３ｎｍの波長に対して
９９％以上の透過率を有するコーティングが施された二
色性反射鏡である。反射鏡８は表面に７５０〜８５０ｎ
ｍの波長に対して入射角度が０度の時に９９％以上の反
射率を有するコーティングが施されている平面反射鏡で
ある。反射鏡９は表面に７５０〜８５０ｎｍの波長に対
して入射角度が０度の時に反射率が９７．５％となるコ
ーティングが施されている平面出力鏡である。なお、共
振器長は概ね１１０ｃｍであり、音響光学素子１１中に
発生する音波の定在波の周期と、共振器を光が往復する
時間が一致するよう設定してある。反射鏡６と反射鏡７
の間の距離は約２０ｃｍである。

【００２５】共振器中に配置された波長選択板１０は厚
さ１ｍｍの水晶による波長選択素子であり、複屈折性フ
ィルタと呼ばれ、Ｐ偏光（直線偏光）を有する発振光に
対して６０．４度傾けて配置されブリュースター角を満
足している。音響光学素子１１は合成石英によるモード
同期素子であり、水冷されている。その両端面は発振光
に対して６０．４度傾けて配置してあり、ブリュースタ
ー角を満足している。

【００２６】以上の構成により、２０ｐｓｅｃ、１０Ｍ
Ｗの光ピーク強度極短パルス光を得た。

【００２７】

【実施例２】図２は本発明の他の実施例である。反射鏡
６，７，８，９及び波長選択板１０の特性及び配置は実
施例１に等しい。モード同期パルスレーザ光源１２とＱ
スイッチレーザ光源３を励起レーザ光源として配置し、
焦点距離２０ｃｍの集光レンズ４，５を用いて集光して
反射鏡６，７を透過させ、レーザ媒質１の両端面に導入
している。なお、共振器内定在波の周期とモード同期レ
ーザ光源１２の周波数（６８．１４ＭＨｚ）との同期を
とるべく、共振器長は、チタンドープサファイア（Ｔ
ｉ：Ａｌ₂Ｏ₃）結晶の屈折率ｎ＝１．７５を考慮し、ピ
エゾ素子１３を用いて１０７．８１６ｃｍ近傍に制御し
ている。なお、制御方法は、フィードバック制御回路１
４を用い、発振光のピーク光強度が最大となるようにピ
エゾ素子１３に電圧を加え、共振器長を変化させる手法
を用いている。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ランプ励起に伴うレーザ媒質の熱レンズ効果に起因する
発振効率の低下、及び、ランプ励起に伴う発振光の偏光
の乱れに起因する発振効率の低下を生じることなく、さ
らに発振器と増幅器という大型のシステムを構成するこ
となく、単一の波長可変レーザ媒質で、高ピーク光強度
を有する極短パルスレーザ光を効率よく発生させる波長
可変固体レーザ発振装置を廉価に実現できる利点を有す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による波長可変固体レーザ発振装置の一
実施例の構成を示した図である。

【図２】本発明による波長可変固体レーザ発振装置の他
の実施例の構成を示した図である。

【図３】本発明による連続波励起レーザ光とＱスイッチ
励起レーザ光の作用を説明する模式図である。本図に
は、連続レーザ光とＱスイッチレーザ光で同時に励起し
た場合の共振器Ｑ値、反転分布量、発振光強度の変化を
示してあり、簡単のため、モード同期動作は省略して描
いてある。

【図４】Ｔｉ：Ａｌ₂Ｏ₃結晶の光吸収特性を説明する模
式図である。

【図５】本発明によるレーザ発振出力光を説明する模式
図である。

【図６】従来技術の構成例を示した図である。

【符号の説明】

１波長可変固体レーザ媒質２連続波励起レーザ光源３Ｑスイッチ励起レーザ光源４，５集光レンズ６，７二色性反射鏡８，９反射鏡１０複屈折性フィルタ１１音響光学素子１２モード同期励起レーザ光源１３ピエゾ素子１４フィードバック制御回路１５Ｎｄ：ＹＡＧロッド１６フラッシュランプ１７集光反射鏡１８レーザ励起部１９モード同期素子２０Ｑスイッチ素子２１反射鏡２２出力鏡

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】波長可変固体レーザ媒質をレーザ媒質と
する波長可変固体レーザ発振装置に於て、該レーザ媒質
の励起光源として連続波レーザ光と、Ｑスイッチレーザ
光を用い、該レーザ媒質の両端面に励起光源をそれぞれ
導入し、レーザ共振器中にモード同期機能を持った素子
を配置することを特徴とする波長可変固体レーザ発振装
置。
【請求項２】波長可変固体レーザ媒質の励起光源とし
てモード同期レーザ光と、Ｑスイッチレーザ光を用い、
該レーザ媒質の両端面に励起光源をそれぞれ導入し、レ
ーザ共振器が同期励起モード同期共振器で構成されるこ
とを特徴とする請求項１記載の波長可変固体レーザ発振
装置。