JPH07109913B2 - 光学装置 - Google Patents
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- JPH07109913B2 JPH07109913B2 JP3062480A JP6248091A JPH07109913B2 JP H07109913 B2 JPH07109913 B2 JP H07109913B2 JP 3062480 A JP3062480 A JP 3062480A JP 6248091 A JP6248091 A JP 6248091A JP H07109913 B2 JPH07109913 B2 JP H07109913B2
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Description
光学的にポンピングされるモードロックレーザに関す
る。
極短光パルスを生成するのに重要である。このようなレ
ーザ(例:衝突パルスモードロックレーザ)は、ピコ秒
以下の光パルスの安定な光源である。この極短光パルス
は、分光学から電気光サンプリングまでの技術の超高速
現象の観察に使用される。
ザからの極短光パルスに付随することが知られている。
そのようなレーザのノイズは、振幅ノイズと位相ノイズ
とに分類できる。U.Keller他の論文(IEEE
J.QuantELECT.の第25巻3号の280−
288ページ)とvon der Linde他の論文
(Appl. Phys.B,39 201−217ペ
ージ)を参照のこと。
制限しながら、信号検知バンド幅内の測定変動の原因と
なる。この高感度は、ショットノイズ処理のみに制限さ
れる感度を意味する。また、位相ノイズは、実験の仮分
解能を低下させる測定ノイズを生成する。
て変調されるような光プローブの実験では、光プローブ
ビームを生成するレーザの振幅スペクトルを理解するこ
とは重要である。従来技術ではレーザの振幅スペクトル
の理解は、スペクトル中に現れるソースノイズを分析せ
ずに、スペクトルを単に分析するのみであった。振幅ス
ペクトルのノイズの影響を除去するかまたは改善する技
術が工夫されている。それは、例えば、検知バンド幅の
減少またはチョッピング技術による検知信号のより高い
周波数への移行である。
の変動を引き起こす。検知バンド幅内に強度変動を生じ
ると、測定された変数の対応する変動は、測定値のSN
比を悪化させる。検知バンド幅を減少することにより、
測定装置に入力される振幅ノイズの量を減らすことが可
能である。都合の悪いことに、この方法を光学プローブ
実験に用いると、長い測定時間が必要となり、測定変数
の長期間変動の影響を受けやすくなってしまう。
めに、提案されている方法は、チョッピング技術による
検知信号のより高い周波数への移行である。その理由
は、多くのレーザのノイズは、周波数の増加と共に減少
するからである。チョッピング周波数における残留振幅
ノイズは、ある測定時間での最低検知信号を制限するこ
とにより、感受性を減少させる。振幅ノイズピークが、
パワースペクトルに現れると、通常の技術でこのチョッ
ピング周波数をノイズピークから離すようにする。衝突
パルスモードロックレーザのようなレーザでは、ノイズ
ピークは、通常の間隔で、背景ノイズレベルの40dB
以上で数百kHzの幅をもって発生する。
響の解析と振幅ノイズの存在下で効果的に実験を行う幾
つかの手法が開発されてきたが、振幅ノイズのソースの
特定には何等努力は払われなかった。しかも、振幅ノイ
ズのレベルを削除したり、減少したりするための装置や
技術は開発されていない。
ンプモードロックレーザにおいて、光ポンプモードロッ
クレーザに光学的に接続された連続波(CW)ポンプレ
ーザ内のキャビティ内またはキャビティ外モード選択素
子を有することにより、著しく改善される。このモード
選択素子は、ポンプレーザから生成される光ビームを、
名目上単一周波数ですなわち、単一縦軸方向モードで動
作させる。このモード選択は、空間配置または固体材料
のファブリペローエタロンで実現される。
は、標準の衝突パルスモードロックレーザであり、ポン
プレーザはアルゴンレーザである。このアルゴンレーザ
は、キャビティ内ファブリペローエタロンを有してお
り、このエタロンによって単一の縦軸方向モードでポン
プ光ビームを生成する。
れるような、そのポンプレーザが連続波(CW)モード
で動作する光ポンプモードロックレーザにとって問題で
あった。衝突パルスモードロックレーザと、ポンピング
用のCWアルゴンイオンレーザとの組合わせは、図3の
カーブ32に示されるような振幅ノイズスペクトルの疑
似変調サイドバンドを表す。ポンプレーザに出力された
光ビームは、縦軸方向モード発振に起因するポンプレー
ザキャビティ周回(round-trip)周波数の調和周波数でわ
ずかな量の疑似変調を含むことが確認されている。
クレーザから出力された光ビームパルスとを混合するこ
とにより、モードロックレーザから出力された光ビーム
中に一組の離散型個別ノイズ疑似変調サイドバンドが生
成された。このモードロックレーザから出力された光ビ
ーム中の一組の離散型ノイズ疑似変調サイドバンドは、
CWポンプレーザを単一縦軸方向モードで動作させるこ
とにより、除去できるか、少なくとも、相当量減少でき
ることが確認された。
ーザ装置を示している。この装置は、モードロックレー
ザ10に光学結合されたCWポンプレーザ20を有す
る。このCWポンプレーザ20はアルゴンイオンレーザ
で、モードロックレーザ10は衝突パルスモードロック
レーザである。この両方のレーザとも公知であり、以下
に簡単に説明する。
ドで動作する。即ち、ポンプレーザは複数の波長で同時
に動作する。このポンプレーザは少なくとも各端部に特
定のの周波数で透過な材料の包囲体201を有する。ま
た、CWポンプレーザ20は、アルゴンイオンを含むプ
ラズマチューブ202と、反射面204,205を有す
る。他のイオンとしては、KrとNd:YAGである。
反射面204,205は、所定距離離間配置され、その
間で光共振キャビティを形成し、プラズマチューブ内の
励起イオンからコヒーレントな誘導放出をし、公称ポン
プ波長周囲の出力光ビーム206を生成する。反射面2
04,205は、高反射ミラー等によって構成される。
図1に示すように、ポンプレーザからの光ビーム206
をミラー207を介してモードロックレーザ10に結合
する必要がある。
ーセンターレーザ、衝突パルスモードロックレーザ等が
ある。またこのモードロック技術には、受動モードロッ
ク技術、能動モードロック技術、付加パルスモードロッ
ク技術などが含まれる。
モードまたは横方向キャビティモードで一旦動作する
と、この異なるモード間の位相関係は、ランダムにな
る。レーザのモードロックは、モード間の明確な位相関
係を確立するためのメカニズムを採用する。ここでの説
明は縦軸方向モードロックに限定する。そのようなプロ
セスでは、レーザの仮出力は、モード分離周波数ν(こ
れはキャビティ周回時間の逆数である)で、モード間の
コヒーレント相互作用により変調される。
短パルス列で、周回時間をnで割った値の幅を持つ。レ
ーザのゲインバンド幅はnの数を制限し、最短パルス
は、大きなバンド幅システムから生成される。このパル
ス幅は、バンド幅を減少させるために、エタロンをレー
ザキャビティ内に挿入することにより、増加する。この
モードロックプロセスは、自由走レーザ内で振動するモ
ード間位相コヒーレンスを単に確立するものではない。
むしろ、モード間のコヒーレント相互作用とロッキング
メカニズムのため、より多くの数の縦軸方向モードが、
モードロックレーザに現れる。
は、CWレーザと繰返しQスイッチレーザの両方を動作
させるCWポンプシステムで観測される。このCWレー
ザは、受動モードロック技術、溶融状態色素のような可
飽和吸収体または追加パルスモードロッキングを採用
し、吸収体ロスをなくすために必要な短パルスを生成す
るために、レーザモードを位相ロックさせる。
キャビティの振幅または位相のいずれかを変調するキャ
ビティ内要素の挿入は、パルスレーザとCWポンプレー
ザの両方に使用される。共通の常磁性イオンレーザによ
り達成されたパルス幅は、ガスレーザで観測されるそれ
よりも短く、モードロック色素レーザ、カラーセンター
レーザ、半導体レーザからのパルスである1−10ピコ
秒より長い。
が衝突パルスレーザとして図示されている。このような
モードロックレーザの詳細は、米国特許第440081
4号明細書に記載されている。
は、リングレーザキャビティを形成するように配置され
ている。ミラー101−107は100%の反射性で、
ミラー102は部分透過性で、結合されるべきリングレ
ーザキャビティ内で生成されたパルスをキャビティから
透過させる。ミラー103−106の曲率の選択は、レ
ーザが最低横軸モードで動作できるようなものである。
の半径)は、生成された光パルスをゲインストリーム1
10内に集光させるようにして、このゲインストリーム
110を間に挟む形で対向配置されている。このゲイン
ストリーム110は、ローダマイン(Rhodamine)6Gを
エチレングリコール中に5145オングストロームポン
プ光の約90%を吸収する濃度で含む。ミラー105と
106(5cmの半径)は、生成された光パルスを吸収
ストリーム111内に集光させるようにして、この吸収
ストリーム111を間に挟む形で対向配置されている。
この吸収ストリーム111は、DODCI(diethyloxa
dicarbocyanine iodide)をエチレングリコール中に吸収
ピーク(580mm)で約20%の信号ロスとなるよう
な濃度で含む。
と吸収領域(AaとAbのそれぞれ)のビームクロス部
分と、増幅器と吸収体分子クロス部分(σaとσbのそ
れぞれ)を含む安定条件を達成させるよう選択される。
これらのパラメータは、式s=k(Aa・σb)/(A
b・σa)の関係がある。
ため、kは2で、ミラーの曲率は、ビームクロス領域A
aとAbが、パラメータsを1よりはるかに大きくする
ようにして、選択される。
パルスの後時間遅延をして1つのパルスがそこを通過す
るように、ゲインストリーム110を配置することを避
けることが好ましい。短い時間遅延の条件は、1つのパ
ルスの振幅を他のそれよりも大きくし、そして、それ
が、干渉パターンのコントラストを悪化させる。これに
対する1つの例外がおきるのは、ゲインストリーム11
0が吸収ストリーム111に完全に反対する時である。
その後、2つのパルスがゲインストリーム110を全く
同時に通過し、ゲインストリーム110中の干渉パター
ンを吸収ストリーム111中に形成されるそれと同じよ
うにする。この条件は、いくらかの付加的なパルス短縮
を生成する。
用されるノズルは、従来から市販のステンレススチール
製のノズルで、その内部厚さは、0.015インチであ
る。一方、吸収ストリーム111を生成するのに使用さ
れるノズルは、約10ミクロンの厚さを有する吸収スト
リームを生成するようここに記述するような方法で構成
される。ゲインストリーム110は、連続アルゴンレー
ザ20でポンピングされ、その出力光ビーム206は、
ミラー103で結合される。レーザ20からのこのポン
プビームは、ミラー103で反射され、そのビームがゲ
イン媒体ストリーム110に注入する。
ーザ装置では、CWアルゴンイオンポンプレーザが衝突
パルスモードロックレーザに結合され、その振幅ノイズ
スペクトルは、図3のカーブ32に示す通りである。こ
のカーブの側波帯と補助ピークは、ポンプレーザキャビ
ティとモードロックレーザキャビティとの縦軸方向モー
ド鼓動周波数の高調波の非直線結合から発生する。
めに、衝突パルスモードロックレーザは、約3ワットで
514nmのスペクトルラインのアルゴンイオンレーザ
(コヒーレントモデルI−200I)でポンピングされ
る。この衝突パルスモードロックレーザのキャビティ長
は約100MHzパルスの繰返し周波数に初期設定され
た。この衝突パルスモードロックレーザの出力は、波長
625nmで100fsの持続時間を有する出力光ビー
ムのパルスを有するリングレーザキャビティの2つの出
力ビームの各々に対して約25−30mWである。
ドロックレーザ装置は、振幅ノイズを有する疑似側波帯
を有し、その振幅ノイズは、数百kHzのバンド幅を有
するバックグラウンド上約40−50dBを生成する。
図3のカーブ31は、衝突パルスモードロックレーザか
らの出力光ビームがブロックされたときの測定システム
用のシステムノイズを形成する。
の劇的な減少は、本発明によれば、モード選択素子をポ
ンプレーザと組合わせて配置し、ポンプレーザを単一縦
軸方向モード動作させることである。キャビティ内とキ
ャビティ外ファブリペローエタロンがこのモード選択素
子として使用される。これらのエタロンは、離間配置さ
れた反射面を有し、この反射面間に空気または固体材料
(例:溶融シリカ)を有する。本発明の代表的な実施例
が図2に示されている。この本発明の装置が疑似振幅ノ
イズ側波帯を除去する様子が図3のカーブ33に示され
ている。このカーブ33は、図2の装置の振幅ノイズス
ペクトルを表す。
リペローエタロン219かキャビティ外ファブリペロー
エタロン240のいずれかを有し、ポンプ光ビーム23
をほぼ単一縦軸方向モードに強制する。このキャビティ
内ファブリペローエタロン219は、離間配置された反
射面216,217とキャビティ材料218を有する。
誘電体コーティングまたは他の公知技術がこのエタロン
反射面に使用される。
キャビティ材料218として使用される。ファブリペロ
ーエタロン219のようなキャビティ内エタロンの使用
が好ましいが、CWレーザの出力面に光学結合されるキ
ャビティ外エタロンの使用も可能である。そのようなキ
ャビティ外エタロンの例としてファブリペローエタロン
240があるが、これは、離間配置された反射面24
1,242とキャビティ材料243を有する。また、誘
電体コーティングまたは他の公知技術がこのエタロン反
射面に使用され、空気または溶融シリカのような固体材
料キャビティ材料243として使用される。
と反射面214、215とプラズマチューブ212を有
する。これらの構成要素は、ポンプレーザ20用に前記
した構成要素と類似である。反射面214、215は、
その間で光共振キャビティを形成するような関係に離間
配置される。
キャビティ内分散素子である。その分散効果が単一のス
ペクトルのみを発振させるのに使用されるのは、ブリュ
ースター(Brewster)角プリズムである。レーザの別のス
ペクトル線は、反射面214を含むプリズム構成をポン
プレーザ21の縦軸方向についてずらすことにより、得
られる。このプリズムがレーザを単一スペクトル線で動
作させても、キャビティ内エタロン219のないレーザ
の出力は、多くの明白な周波数がスペクトル線のゲイン
プロフィールの下で現れることを示唆している。レーザ
にキャビティ内エタロン219を入れることにより、単
一縦軸方向モード動作が可能である。このプリズム装置
と組合わせると、キャビティ内エタロンは、単一縦軸モ
ード動作と単一スペクトル線動作を提供できる。
回析格子などがある。この回析格子は、高解像度または
低解像度のいずれかで実現可能できる。低解像度格子
は、ブリュースター角プリズムのそれに比較して低分散
である。かくして、低解像度格子は、単一スペクトル線
を選択するのに適している。これに対し、高解像度格子
は、非常に高分散で、同時モードスペクトル線選択性の
別の利点がある。従って、高解像度格子は、キャビティ
内エタロンとしてもキャビティ内分散素子としても使用
できる。ポンプレーザとして使用されるある種のレーザ
は、単一スペクトル線で動作するが、単一スペクトル線
選択性を確保するのに、キャビティ内分散素子は必ずし
も必要ない。
ルタで、このエタロンにより選択された1つのモード以
外のキャビティ内縦軸モードに十分な損失を導入する。
このモードは、いつでも単一のレーザ発振である。ファ
ブリペローエタロンの光学パス長は、どのモードが選択
されるべきかを決定する。光学パス長は、反射面間のの
実際の離間距離とエタロンのキャビティ内の材料の屈折
率に依存する。
る技術は公知である。例えば、固体溶融シリカキャビテ
ィ内エタロンは、アルゴンイオンレーザ内で所望の縦軸
モードを抽出するには、約1cmの長さを有する。キャ
ビティ内エタロンを、レーザ21の縦軸に関し、エタロ
ンをずらしたり、エタロンのキャビティ材料の屈折率を
温度変調、電流変調させることにより、他の縦軸方向モ
ードに合わせることもできる。
2がポンプレーザに採用されると、光ビーム22,23
は、同一である。その理由は、キャビティ外エタロン2
40が使用されないからである。ポンプ光ビーム23
は、モードロックレーザ40に結合されて、レーザを光
学的にポンピングする。出力光ビーム41がモードロッ
クレーザ40から出射する。
ロックレーザをポンピングする波長範囲のレーザもポン
プレーザ21として採用できる。同様に、能動モードロ
ッキング、受動モードロッキング、付加パルスモードロ
ッキングによるモードロック動作ができるいかなるレー
ザもモードロックレーザ40として使用できる。カーブ
33を得るために、キャビティ内エタロン219は、衝
突パルスモードロックレーザと結合されたCWアルゴン
イオンポンプレーザと共に使用された。
クレーザと結合されたクリプトンイオンポンプレーザ
と、色素中心モードロックレーザと結合されたNd:Y
AGポンプレーザとが考えられる。
もので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々
の変形例が考え得るが、それらはいずれも本発明の技術
的範囲に包含される。
ポンプモードロックレーザに光学的に接続された連続波
(CW)ポンプレーザ内のキャビティ内またはキャビテ
ィ外モード選択素子を有することにより、振幅ノイズレ
ベルが著しく改善される。
説明図である。
である。
すグラフである。
Claims (10)
- 【請求項1】 第1光ビームを生成する連続波(CW)
ポンプレーザと、 前記第1光ビームに応答して、第2光ビームを生成する
モードロックレーザとを有する光学装置において、 前記ポンプレーザは、その間に複数の縦軸モードを生成する光共振キャビティ
を形成するように 離間配置された第1と第2の反射面
と、 前記光共振キャビティに光学的に結合され、第1光ビー
ムのみを単一の周波数で動作するように制限する形で、
複数のモードから単一の縦軸方向モードを選択する選択
手段とを有することを特徴とする光学装置。 - 【請求項2】 前記選択手段は、前記光共振キャビティ
内に配置されたファブリペローエタロンを有し、前記エ
タロンは、単一の縦軸方向モードの選択が可能となる十
分な所定距離はなれて離間配置された第3と第4の反射
面を有することを特徴とする請求項1の装置。 - 【請求項3】 前記エタロンは、第3と第4の反射面の
間に空気を有することを特徴とする請求項2の装置。 - 【請求項4】 前記エタロンは、第3と第4の反射面の
間に固体材料を有することを特徴とする請求項2の装
置。 - 【請求項5】 前記固体材料は溶融シリカであることを
特徴とする請求項4の装置。 - 【請求項6】 前記選択手段は、前記光共振キャビティ
外に配置されたファブリペローエタロンを有し、前記エ
タロンは、単一の縦軸方向モードの選択が可能となる十
分な所定距離はなれて離間配置された第3と第4の反射
面を有し、前記第3反射面は前記光共振キャビティに光
学的に結合され、前記第1光ビームは、前記第4反射面
から放射されることを特徴とする請求項1の装置。 - 【請求項7】 前記エタロンは、第3と第4の反射面の
間に空気を有することを特徴とする請求項6の装置。 - 【請求項8】 前記エタロンは、第3と第4の反射面の
間に固体材料を有することを特徴とする請求項6の装
置。 - 【請求項9】 前記固体材料は溶融シリカであることを
特徴とする請求項8の装置。 - 【請求項10】 前記モードロックレーザは、衝突パル
スモードロックレーザであることを特徴とする請求項1
の装置。
Applications Claiming Priority (2)
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JP3062480A Expired - Fee Related JPH07109913B2 (ja) | 1990-03-30 | 1991-03-05 | 光学装置 |
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