JPH09260762A - 超短パルスレーザ装置 - Google Patents

超短パルスレーザ装置

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JPH09260762A JP8068725A JP6872596A JPH09260762A JP H09260762 A JPH09260762 A JP H09260762A JP 8068725 A JP8068725 A JP 8068725A JP 6872596 A JP6872596 A JP 6872596A JP H09260762 A JPH09260762 A JP H09260762A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザパルスの高繰り返し化が可能であり、
装置としての小型化が可能な超短パルスレーザ装置を提
供する。 【解決手段】 ブリズム310、320など2つ光学部
品から成る位相分散補償部300の2つの光学部品の間
の光路中にレーザ媒質100が配設される。この結果、
安定したモード同期のために、共振器中のほぼ中央にレ
ーザ媒質100を配置しつつ、共振器長Lを低減可能と
なる。したがって、繰り返し周波数を向上して、超短パ
ルス光を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、1psec以下の
パルス幅を有する光パルスを発生する超短パルスレーザ
装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】短パルス光に対する需要が、高速光通信
および高速非線形光学現象の応用といった側面から高ま
っている。こうした需要に対応して、1psec以下の
超短パルスを発生する技術として、ローダミン6G色素
レーザ媒質を使用し、DQOCI(1,3'-Diethyl-4,2'-
quinolyoxacarbocyanine Iodide)やDODCI(3,3-D
iethyl-oxadicarbocyanine Iodide)の可飽和色素を用
いて受動モード同期を行い、パルス幅=100〜500
fsecの光パルスを発生する技術(M.D.Dawsonet a
l., OPTICS LETTERS, Vol.11, No.11, Nov., 1986, pp.
721-723;以後、従来例1と呼ぶ)や、Cr3+:LiS
rAlF6(Cr:LiSAF)固体レーザ媒質を使用
し、固体レーザ媒質のカー効果を用いてカーレンズモー
ド同期を行い、パルス幅=44fsecの光パルスを発
生する技術(青島 他,レーザ研究,Vol.23,N
o.11(1995)、pp.90−95;以後、従来
例2と呼ぶ)が提案されている。
【0003】これらの技術による超短パルスレーザ装置
は、レーザ共振器鏡に、レーザ媒質、パルス生成部、位
相分散補償部が配設されたレーザ共振器を備えている。
レーザ媒質は、励起源からのエネルギによって励起さ
れ、レーザ動作をする。従来例1および従来例2では、
励起エネルギは光の形態でレーザ媒質に供給され、従来
例2では半導体レーザが用いられる。
【0004】なお、通常のレーザ装置では、1つの共振
器鏡が光取り出し部を兼ねている。以下の説明において
は、光取り出し部を兼ねた共振器鏡を出力鏡と表現す
る。
【0005】超短パルスレーザ装置でのパルス生成に
は、モード同期法が好適に使用される。モード同期法に
は、大別して、(i)音響光学素子を用いたモードロッ
カ装置による強制モード同期法、(ii)従来例1で用い
られているDQOCIやDODCIといった色素、また
は、多重量子井戸(MQW:Multi-Quantum Well)構造
の半導体などの可飽和吸収体を用いた受動モード同期
法、(iii)従来例2のように、レーザ媒質自体の光線
形効果を利用したカーレンズモード同期法などがあり、
採用するモード同期法を実行するパルス生成部が共振器
内に配設される。なお、カーレンズモード同期法の場合
には、レーザ媒質がパルス生成部を兼ねることになる。
【0006】時間軸での超短パルスの発生のためには、
周波数(または波長)軸で広帯域であることが避けられ
ず、したがって、周波数(または波長)軸での半値全幅
と時間軸での半値全幅との積の値は、一定値以下とはな
らない。すなわち、 Δν・Δτ≦k …(1) ここで、Δν:周波数(または波長)軸での半値全幅 Δτ:時間軸での半値全幅 k:波形に依存した定数 の関係が成立する。各波長間で位相が理想的に一致した
とすると、 Δν・Δτ=k とできる。例えば、光パルスの波形がsech2の場合
に、k=0.315となる。
【0007】一方、パルスレーザ装置として必須な、レ
ーザ媒質、パルス生成部、共振器鏡、出力鏡は、一般に
は分散媒質である。したがって、こうした分散媒質の存
在のために、波長帯域が制限されたレーザ発振となった
り、帯域幅が広いレーザ発振であっても所望のパルス幅
の光パルスが得られなかったりする。
【0008】そこで、通常、共振器内に位相分散補償部
を配設する。位相分散補償部としては、プリズム対や回
折格子対が好適に用いられる。従来例1や従来例2で
も、位相分散補償部として、プリズム対が共振器内に配
設されている。
【0009】また、超短パルスレーザ装置において、安
定にモード同期するには、レーザ媒質がレーザ共振器の
ほぼ中央に配置される必要があることが知られている
(G.Cerullo et al., OPTICS LETTERS, Vol.19, No.14,
July 15, 1994, pp.1040-1042参照)。
【0010】図19は、代表的な従来の超短パルスレー
ザ装置の構成図である。図19に示すように、この装置
は、(a)Cr:LiSAF結晶からなるレーザ媒質9
10と、(b)レーザ媒質910の一方の光入出力面側
に配置された凹面鏡921、および、光路上で凹面鏡9
21と約10cm離れた、レーザ媒質910の他方の光
入出力面側に配置された凹面鏡922と、(c)BK7
から成るプリズム931およびBK7から成るプリズム
932から成り、プリズム間隔=46cmる位相分散補
償部930と、(d)共振器内の光を選択して透過する
スリット940と、(e)共振器の一方の端面を形成す
る共振器鏡951、および、光路上で共振器鏡951と
170cm離れた、共振器の他方の端面を形成する出力
鏡952と、(f)出力鏡952を振動させる振動手段
953と、(g)レーザ媒質910に励起エネルギを供
給する励起源960とを備える。
【0011】この装置では、励起源960からレーザ媒
質910に励起エネルギを供給しつつ、レーザ発振を引
き起こさせる。そして、振動手段953によって出力鏡
952を振動させて、モード同期状態を発生させ、超短
パルスを得ている。
【0012】本発明者の実験によれば、図19に示す装
置を使用して最適調整をした結果、ピーク波長=約90
8nm、パルス幅=30fsecの光パルスが得られ
た。この実験結果では、 Δν・Δτ=0.32 であり、時間波形をsech2と過程した場合の理想値
である、 Δν・Δτ=0.315 にほぼ一致している。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】超短パルスレーザ装置
が発生する光パルスに対しては、パルス幅が小さいとい
う要求に加えて、パルス間の時間間隔を短くする、すな
わち、光パルスの高繰り返し化の要請があるとともに、
装置自体に対しては小型化の要請がある。また、パルス
繰り返しの間隔を可変制御したいという要請がある。
【0014】レーザパルスの繰り返し時間間隔は、共振
器長Lで決定され、光が共振器を巡る時間間隔となる。
ファブリ−ペロー型の共振器の場合は、レーザパルスの
繰り返し時間間隔は、共振器を往復する時間であり、レ
ーザパルスの繰り返し周波数fは、 f=c/2L …(2) となる。
【0015】したがって、レーザパルスの繰り返し周波
数を大きくするには、共振器長Lを短くすることが有効
である。また、共振器長Lを短くすることで、装置自体
の小型化も達成可能である。
【0016】従来の超短パルスレーザ装置では、上記の
ように、短パルス化の要請については、理論的な限界近
くまで満たしているが、光パルスの高繰り返し化の要請
および装置自体に対しては小型化の要請を必ずしも満た
していない。
【0017】例えば、図19の装置について、共振器長
Lを短くするため、位相分散補償部930のプリズム9
31と凹面鏡921との距離を小さくすることで、共振
器長の低減が有る程度は図られる。図20は、位相分散
補償部930のプリズム931と凹面鏡921との距離
を、略0cmとした場合の超短パルスレーザ装置の構成
図である。図20の装置では、図19と同様の短パルス
を発生することができるが、共振器長Lは102cmが
限界である。この場合、レーザパルスの繰り返し周波数
f=約147MHzとなる。
【0018】本発明は、上記を鑑みてなされたものであ
り、レーザパルスの高繰り返し化が可能であり、装置と
しての小型化が可能な超短パルスレーザ装置を提供する
ことを目的とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】請求項1の超短パルスレ
ーザ装置は、(a)第1の光学部品と第2の光学部品と
からなる位相分散補償部と、(b)位相分散補償部の第
1の光学部品と第2の光学部品との間の光路中に配設さ
れたレーザ媒質と、(c)光路中の光を短パルス化する
パルス生成部と、(d)レーザ光を取り出す光取り出し
部と、(e)複数の共振用鏡を有し、複数の共振用鏡で
形成される光路中に位相分散補償部と、レーザ媒質と、
パルス生成部と、光取り出し部とが配設される共振部
と、(f)レーザ媒質を励起する励起源とを備えること
を特徴とする。
【0020】ここで、パルス生成部を、位相分散補償部
の前記第1の光学部品と前記第2の光学部品との間の光
路中に配設することが可能である。
【0021】請求項1の超短パルスレーザ装置は、ブリ
ズム対などの2つ光学部品から成る位相分散補償部の2
つの光学部品の間の光路中にレーザ媒質が配設される。
この結果、安定したモード同期のために、共振器中のほ
ぼ中央にレーザ媒質を配置しつつ、共振器長Lを低減可
能となる。
【0022】すなわち、ブリズム対などの2つの光学部
品から成る位相分散補償部で有効に位相補償するには、
光学部品間の光路距離lを確保する必要があるが、共振
器中のほぼ中央にレーザ媒質を配置する要請から、従来
の装置では、 L≧2l の関係を満たさざるを得なかった。しかし、請求項1の
装置では、2つ光学部品から成る位相分散補償部の2つ
の光学部品の間の光路中にレーザ媒質が配設されること
としたので、原理的には、 L≧l の関係を満たせばよい。
【0023】したがって、従来の装置の性能を維持しつ
つ、共振器長を半分程度にまで短くすることができる。
この結果、レーザパルスの高繰り返し化が可能であり、
装置としての小型化が可能となる。
【0024】請求項3の超短パルスレーザ装置は、請求
項1または請求項2の超短パルスレーザ装置において、
複数の共振用鏡の少なくとも一方の配設位置を移動する
鏡移動手段を更に備えることを特徴とする。
【0025】請求項3の超短パルスレーザ装置では、
(2)式に基づいて、パルスの繰り返し周期を決定する
共振器長を変化させることができるので、パルスの繰り
返し周期を可変とすることができる。
【0026】請求項4の超短パルスレーザ装置は、請求
項1ないし請求項3の超短パルスレーザ装置において、
複数の共振用鏡の反射面の少なくとも1つの光路に対す
る角度を変化させる鏡回転手段を更に備えることを特徴
とする。
【0027】請求項4の超短パルスレーザ装置では、プ
リズム対などから成る位相分散補償部によって波長ごと
に異なる光路が設定された多波長の光の中からによって
所望の波長の光のみを共振光路に戻すことができるの
で、発生する超短パルスの波長可変とすることができ
る。
【0028】請求項5の超短パルスレーザ装置は、請求
項1ないし請求項3の超短パルスレーザ装置において、
共振部内の光路中に配設されたスリットと、スリットを
光路に垂直な方向に移動するスリット移動手段とを更に
備えることを特徴とする。
【0029】請求項5の超短パルスレーザ装置では、プ
リズム対などから成る位相分散補償部によって波長ごと
に異なる光路が設定された多波長の光の中からによって
所望の波長の光のみをスリットが通過させ、共振を発生
させるので、発生する超短パルスの波長可変とすること
ができる。
【0030】請求項6の超短パルスレーザ装置は、請求
項1ないし請求項5の超短パルスレーザ装置において、
レーザ媒質は固体レーザ媒質であり、励起源は半導体レ
ーザであることを特徴とする。
【0031】請求項6の超短パルスレーザ装置では、装
置が全固体構成なので、取り扱いが容易な超短パルスレ
ーザ装置を提供する。
【0032】請求項7の超短パルスレーザ装置は、請求
項6の超短パルスレーザ装置において、半導体レーザ
は、マスター発振子パワー増幅器型であることを特徴と
する。
【0033】請求項7の超短パルスレーザ装置では、固
体レーザ媒質を半導体レーザで励起する場合、一般の半
導体レーザでは、非点較差によって励起光を固体レーザ
媒質中で小さく絞り込むことが困難であるが、マスター
発振子パワー増幅器(MasterOscillator Power Amplifi
er;MOPA)型の半導体レーザを使用することによ
り、励起光を固体レーザ媒質中で小さく絞り込むことが
できるので、安定にモード同期ができる。
【0034】請求項8の超短パルスレーザ装置は、請求
項1ないし請求項7の超短パルスレーザ装置において、
複数の共振用鏡の反射面の少なくとも1つのを振動させ
る鏡振動手段を更に備え、複数の共振用鏡の反射面の少
なくとも1つの振動によりモード同期を始動することを
特徴とする。
【0035】請求項8の超短パルスレーザ装置では、鏡
振動手段による、共振用鏡の振動によって好適にモード
同期を始動する。
【0036】請求項9の超短パルスレーザ装置は、請求
項8の超短パルスレーザ装置において、モード同期状態
をモニタし、モード同期が始動したときに振動の停止を
鏡振動手段へ指示し、モード同期がはずれたときに振動
の開始を鏡振動手段へ指示するモニタ部を更に備えるこ
とを特徴とする。
【0037】請求項9の超短パルスレーザ装置では、鏡
振動手段による共振用鏡の振動を開始後、モニタ部がモ
ード同期状態をモニタする。そして、モード同期が始動
したときには振動を停止し、また、モード同期がはずれ
たときには振動を開始して再度モード同期状態を始動す
る。この結果、安定してモードロック状態を維持でき
る。
【0038】請求項10の超短パルスレーザ装置は、請
求項1ないし請求項7の超短パルスレーザ装置におい
て、パルス発生部は、固体レーザ媒質と一体に形成され
た光変調部と、光変調部に変調信号を供給する可変変調
信号発生部とを備え、強制モード同期を行うことを特徴
とする。
【0039】請求項10の超短パルスレーザ装置では、
パルス発生部の共振器中の部分はレーザ媒質と一体に形
成されるので、共振器中にパルス生成部として独立の場
所を占めない。したがって、装置の小型化が可能とな
る。
【0040】請求項11の超短パルスレーザ装置は、請
求項10の超短パルスレーザ装置において、モード同期
状態をモニタし、モード同期が始動したときに変調の停
止を可変変調信号発生部へ指示し、モード同期がはずれ
たときに変調の開始を可変変調信号発生部へ指示するモ
ニタ部を更に備えることを特徴とする。
【0041】請求項11の超短パルスレーザ装置では、
可変変調手段による変調を開始後、モニタ部がモード同
期状態をモニタする。そして、モード同期が始動したと
きには変調を停止し、また、モード同期がはずれたとき
には変調を開始して再度モード同期状態を始動する。こ
の結果、安定してモードロック状態を維持できる。
【0042】請求項12の超短パルスレーザ装置は、請
求項7ないし請求項11の超短パルスレーザ装置におい
て、固体レーザ媒質の温度を略一定温度に保持する温度
調整手段を更に備えることを特徴とする。
【0043】請求項12の超短パルスレーザ装置では、
レーザ媒質にとって好適な動作温度(一般には、低温)
にレーザ媒質の温度を維持しつつ、レーザ発振が行われ
る。この結果、安定した強度の超短パルスを得ることが
できる。
【0044】また、共振用鏡の数を2とし、レーザ共振
器をファブリ−ペロー型として構成することも可能であ
るし、請求項13のように、共振用鏡の数は3以上と
し、共振光路をリング状とすることも可能である。
【0045】請求項13の超短パルスレーザ装置では、
レーザ媒質の配置位置を共振光路中で任意として、好適
に超短パルスを発生できる。
【0046】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の超短パルスレーザ装置の実施の形態を説明する。な
お、図面の説明にあたって同一の要素には同一の符号を
付し、重複する説明を省略する。
【0047】(第1実施形態)図1は、本発明の超短パ
ルスレーザ装置の第1実施形態の構成図である。図1に
示すように、この装置は、(a)Cr:LiSAF結晶
からなるレーザ媒質100と、(b)レーザ媒質100
の一方の光入出力面側に配置された凹面鏡210、およ
び、光路上で凹面鏡210と約10cm離れた、レーザ
媒質100の他方の光入出力面側に配置された凹面鏡2
20と、(c)BK7から成るプリズム310およびB
K7から成るプリズム320から成り、プリズム間隔=
46cmであって、プリズム310とプリズム320と
の間の光路の中央部にレーザ媒質100、凹面鏡21
0、および凹面鏡220が配置された位相分散補償部3
00と、(d)共振器の一方の端面を形成する共振器鏡
510、および、光路上で共振器鏡510と69cm離
れた、共振器の他方の端面を形成する出力鏡520と、
(e)レーザ媒質100に励起エネルギを供給する励起
源400とを備える。そして、位相分散補償部300
は、共振器鏡510と共振器鏡520との間の光路の中
央部に配置される。
【0048】図2は、位相分散補償部300の動作の説
明図である。図2に示すように、波長が短いほどプリズ
ム310、320での屈折率は高い。したがって、短波
長の光は実線のような光路を進行し、長波長の光は破線
のような光路を進行する。そして、プリズム310(ま
たは、プリズム320)に、同一光路で光が入射した
後、2つのプリズム310、320を介し、プリズム3
20(または、プリズム310)から出力した光は波長
ごとに分離しているが、互いに平行に進行する。こうし
てプリズム310、320間の距離が波長によって異な
ることになるので、プリズム310、320間の間隔を
調整することで、レーザ共振器内の位相分散を補償量を
略0となるように補償し、波長ごとの位相を整える。プ
リズム310、320としては、一般的な正三角形プリ
ズムを用いることができる。また、光損失を低減するた
めには、ブリュースタ角で入射することが好適である。
この場合、プリズム310、320の頂角αは、 α=2sin-1[(sin(tan-1n))/n] …(3) ここで、n:プリズムの屈折率 によって求められる。BK7からなるプリズム310、
320の場合、α=略67°である。なお、光は、プリ
ズム310、320の頂角αの頂点近傍を通過すること
になるので、この頂角αの頂点近傍のみがプリズム上で
あればよい。
【0049】同様の位相分散補償は、回折格子対でも可
能であるが、光損失が比較的大きいので注意を要する。
また、共振器鏡510や出力鏡520の誘電体多層膜コ
ーティングの仕方によっても位相分散補償は可能である
が、設計が困難であり、また、製作後に補償量の制御が
できない。
【0050】以上、2次の位相分散の補償についての位
相補償手段を説明したが、より高次の位相分散を補償す
るため、他の光学素子を組合せることも可能である。
【0051】なお、位相分散補償部300で発生する2
次の位相分散量は545fsec2を計算され、これ以
外のレーザ共振器の位相分散量が−545fsec2
あったと考えられる。位相分散補償部300で発生する
位相分散量である545fsec2の内、プリズム間で
与えられる2次の位相分散が935fsec2であり、
プリズム310、320を約10mm伝搬することで与
えられる2次の位相分散が−390fsec2である。
【0052】2次の位相分散量=545fsec2を与
えるには、プリズム間の距離が、プリズムの材質が合成
石英で約53cm、SF10で約27cm、LaFNで
約26cmとなる。なお、これらの値は、頂角αは
(2)式より求め、ブリュースタ角での入射とした場合
である。
【0053】励起源400は、(i)励起光を発生する
半導体レーザ410と、(ii)励起光をレーザ媒質11
0に集光する集光光学系420とを備える。
【0054】この装置では、まず、励起源600がレー
ザ媒質100に励起エネルギを供給する。この状態で、
レーザ媒質100で自然放射が発生すると、位相分散補
償部300によって波長による位相の分散が補償されつ
つ、共振器内の光路を伝搬し、誘導放射を発生させる。
そして、レーザ媒質100のカーレンズ効果によって、
モード同期が始動する。こうして、モード同期したレー
ザ発振により、繰り返し周波数f=218MHzで超短
パルスが得られる。
【0055】図1において、プリズム310と共振器鏡
510との光路距離を5cmとするとともに、プリズム
320と出力鏡520との光路距離を5cmとして、共
振器長L=56cmとすると、繰り返し周波数f=26
8MHzで超短パルスが得られる。
【0056】図3は、本実施形態の超短パルスレーザの
変形例の構成図である。図3に示すように、この装置
は、上記の本実施形態の装置の構成に加えて、(f)共
振器鏡510を振動させる振動手段530を更に備え
る。
【0057】振動手段530としては、スピーカを好適
に採用可能であり、この場合には、数Hz〜200H
z、振幅が1mm以下の振動を出力鏡520に付与する
ことができる。
【0058】この装置では、まず、励起源600がレー
ザ媒質100に励起エネルギを供給する。一方、振動手
段530が共振器鏡510に振動を付与する。この状態
で、レーザ媒質100で自然放射が発生すると、位相分
散補償部300によって波長による位相の分散が補償さ
れつつ、共振器内の光路を伝搬し、誘導放射を発生させ
る。そして、レーザ媒質100のカーレンズ効果に加え
て、共振器鏡510の振動によってモード同期が始動す
る。共振器鏡510の振動を加えることにより、図1の
装置よりも容易、かつ、確実にモード同期確立が達成で
きる。こうして、モード同期したレーザ発振により、繰
り返し周波数f=218MHzで超短パルスが得られ
る。
【0059】なお、モード同期が始動したら、共振器鏡
510の振動を停止する。
【0060】この装置でも、図1の装置と同様に、超短
パルスが好適に得られる。
【0061】(第2実施例)図4は、本発明の超短パル
スレーザ装置の第2実施形態の構成図である。本実施形
態の装置は、第1実施形態での使用部品の材質、大き
さ、配置を工夫して共振器長Lを更に短くしたものであ
る。図4に示すように、この装置は、(a)Cr:Li
SAF結晶からなるレーザ媒質100と、(b)レーザ
媒質100の一方の光入出力面側に配置された凹面鏡2
12、および、光路上で凹面鏡212と約15cm離れ
た、レーザ媒質100の他方の光入出力面側に配置され
た凹面鏡222と、(c)LaFN28から成るプリズ
ム312およびLaFN28から成るプリズム321か
ら成り、プリズム間の光路距離=28cmであって、プ
リズム312とプリズム322との間の光路の中央部に
レーザ媒質100が配置された位相分散補償部302
と、(d)共振器の一方の端面を形成する共振器鏡51
2、および、光路上で共振器鏡512と30cm離れ
た、共振器の他方の端面を形成する出力鏡522と、
(e)共振器鏡512を振動させる振動手段530と、
(f)レーザ媒質100に励起エネルギを供給する励起
源400とを備える。そして、位相分散補償部302
は、共振器鏡512と共振器鏡522との間の光路の中
央部に配置される。
【0062】本実施形態では、第1実施形態と同様にし
て、超短パルスを発生するが、共振器長L=約30cm
としたので、繰り返し周波数=約500MHzに達す
る。
【0063】(第3実施例)図5は、本発明の超短パル
スレーザ装置の第3実施形態の構成図である。本実施形
態の装置は、レーザ媒質として色素レーザ媒質を使用し
たものである。図5に示すように、この装置は、(a)
色素レーザ媒質からなるレーザ媒質103と、(b)レ
ーザ媒質103の一方の光入出力面側に配置された凹面
鏡210、および、レーザ媒質103の他方の光入出力
面側に配置された凹面鏡220と、(c)BK7から成
るプリズム310およびBK7から成るプリズム320
から成り、プリズム311とプリズム321との間の光
路の中央部にレーザ媒質103が配置された位相分散補
償部303と、(d)プリズム311とプリズム321
との間の光路中であって、凹面鏡210と凹面鏡220
との間の光路とは異なる光路中に配置された可飽和吸収
色素媒質613と、(e)可飽和吸収色素媒質613の
一方の光入出力面側に配置された凹面鏡623、およ
び、可飽和吸収色素媒質613の他方の光入出力面側に
配置された凹面鏡633と、(f)共振器の一方の端面
を形成する共振器鏡510、および、共振器の他方の端
面を形成する出力鏡520と、(g)レーザ媒質103
に励起エネルギを供給する励起源400とを備える。そ
して、位相分散補償部303は、共振器鏡510と共振
器鏡520との間の光路の中央部に配置される。
【0064】この装置では、まず、励起源600がレー
ザ媒質103に励起エネルギを供給する。この状態で、
レーザ媒質103で自然放射が発生すると、位相分散補
償部300によって波長による位相の分散が補償されつ
つ、共振器内の光路を伝搬し、誘導放射を発生させる。
そして、可飽和吸収色素媒質613の作用によってモー
ド同期が始動する。こうして、モード同期したレーザ発
振により、超短パルスが得られる。
【0065】(第4実施形態)図6は、本発明の超短パ
ルスレーザ装置の第4実施形態の構成図である。図6に
示すように、本実施形態の装置は、第3実施形態と比べ
て、可飽和色素媒質613、凹面鏡623、および凹面
鏡633が、位相分散補償部303を構成するプリズム
対間の光路中にないことが異なる。
【0066】この装置では、第3実施形態と同様にし
て、モード同期したレーザ発振が起こり、超短パルスが
得られる。
【0067】(第5実施形態)図7は、本発明の超短パ
ルスレーザ装置の第5実施形態の構成図である。図7に
示すように、この装置は、(a)Cr:LiSAF結晶
からなるレーザ媒質100と、(b)レーザ媒質100
の一方の光入出力面側に配置された凹面鏡210、およ
び、光路上で凹面鏡210と約10cm離れた、レーザ
媒質100の他方の光入出力面側に配置された凹面鏡2
20と、(c)BK7から成るプリズム310およびB
K7から成るプリズム320から成り、プリズム間隔=
46cmであって、プリズム310とプリズム320と
の間の光路の中央部にレーザ媒質100、凹面鏡21
0、および凹面鏡220が配置された位相分散補償部3
00と、(d)共振器の一方の端面を形成する共振器鏡
510、および、共振器の他方の端面を形成する出力鏡
520と、(e)共振器鏡510を振動させる振動手段
530と、(f)レーザ媒質100に励起エネルギを供
給する励起源400と、(g)共振器鏡510の光軸上
の位置を変化させる搬送器560と、(h)出力鏡52
0の光軸上の位置を変化させる搬送器570と、を備え
る。そして、位相分散補償部300は、共振器鏡510
と共振器鏡520との間の光路の中央部に配置される。
すなわち、この装置は、第1実施形態と比べて、搬送器
560および搬送器570を更に備える点が異なる。
【0068】本実施例の装置では、まず、レーザ媒質1
00が共振光路の中央部にあることを維持しつつ、搬送
器560によって共振器鏡510の位置を設定するとと
もに、搬送器570によって出力鏡520の位置を設定
する。こうして、共振器構造、すなわち、共振器長Lが
設定される。
【0069】以後、第1実施形態と同様に動作して、共
振器長Lに応じた繰り返し周波数で、超短パルスを発生
する。なお、本実施形態の装置では、繰り返し周波数を
100MHz程度から約300MHzまでの範囲から選
択できる。
【0070】本実施形態では、共振器鏡510および出
力鏡520の双方を移動して、レーザ媒質100が共振
光路の中央部にあることを維持したが、レーザ媒質10
0から出力鏡520までの距離がレーザ媒質100から
共振器鏡510までの距離の1/3〜3倍程度であれ
ば、共振器鏡510および出力鏡520のいずれか一方
のみを移動してもよい。この場合、モード同期が少々不
安定になるが、この不安定さを解消する手段を更に付加
するが可能である。
【0071】なお、第2実施形態の装置で更に搬送器5
60および搬送器570を備えることとすれば、繰り返
し周波数を100MHz程度から約500MHzまでの
範囲から選択できる。
【0072】(第6実施形態)図8は、本発明の超短パ
ルスレーザ装置の第6実施形態の構成図である。図8に
示すように、この装置は、第1実施形態と比べて、半導
体レーザ410として、マスタ発振子パワー増幅器(M
OPA)型の半導体レーザ(以後、単に、MOPAと呼
ぶ)411を使用した点のみが異なる。
【0073】図9は、MOPAの構成図である。図9
(a)には、素子分離型のテーパ半導体レーザ増幅型M
OPAの構成を示し、図9(b)には、素子一体型のテ
ーパ半導体レーザ増幅型MOPAの構成を示す。
【0074】いずれのMOPAも、マスタ発振子部とマ
スタ発振子の発振子と光学的に結合されたパワー増幅器
部とから構成される。
【0075】励起光のレーザ媒質100中の強度密度を
大きくする必要がある。このため、一般の半導体レーザ
で大出力のものを採用すると、大出力半導体レーザでは
活性層の断面積を大きいので、集光が困難である。これ
に対して、MOPAでは、まず、活性層の小さな発振
し、その後にパワー増幅しているので、集光が容易な大
出力レーザ光を得ることができる。
【0076】なお、MOPAには、上記のテーパ半導体
レーザ増幅型以外に、回折格子共振器型がある。
【0077】したがって、本実施形態の装置では、励起
光のレーザ媒質100中の強度密度を大きくすることが
でき、好適な超短パルスを得ることができる。
【0078】(第7実施形態)図10は、本発明の超短
パルスレーザ装置の第7実施形態の構成図である。図1
0に示すように、この装置は、第1実施形態と比べて、
モード同期状態をモニタし、モード同期が始動したとき
に振動の停止を振動手段530へ指示し、モード同期が
はずれたときに振動の開始を振動手段530へ指示する
モニタ部710を更に備える点が異なる。
【0079】図11は、モニタ部710の構成図であ
る。図11に示すように、モニタ部710は、(i)プ
リズム320の光入射面での反射光を入力し、第2次高
調波光(SHG光)を発生する電気光学結晶711と、
(ii)第2次高調波光のみを透過する波長フィルタ71
2と、(iii)波長フィルタ712を介した光を入力し
光強度を検出する光検出器とを備える。電気光学結晶7
11としては、LiIO3結晶やADP(ammonium dihy
drogen phosphate)結晶などが好適に採用可能である。
【0080】モードロック状態になると共振器中の光の
強度が大きくなるので、プリズム320の光入射面での
反射光が電気光学結晶711に入射すると、SHG光強
度が増大する。この光強度変化を光検出器713で検出
することにより、モード同期状態のモニタができる。
【0081】この装置では、第1実施例と同様にして、
超短パルスを発生するが、モード同期状態をモニタし、
モード同期が始動したときには振動の停止し、また、モ
ード同期がはずれたときには振動の開始して再度モード
同期状態を始動する。この結果、安定してモードロック
状態を維持でき、安定して超短パルスを得ることができ
る。
【0082】(第8実施形態)図12は、本発明の超短
パルスレーザ装置の第8実施形態の構成図である。図1
2に示すように、この装置は、第1実施形態と比べて、
光路に対して共振器鏡510の角度を変化させる回転手
段540を更に備える点が異なる。
【0083】この装置では、回転手段540によって光
路に対して共振器鏡510の角度を変化させる。この結
果、位相分散補償部300によって波長ごとに異なる光
路が設定された多波長の光の中からによって所望の波長
の光のみを共振光路に戻す。この結果、発生する超短パ
ルスの波長を可変とすることができる。
【0084】(第9実施形態)図13は、本発明の超短
パルスレーザ装置の第9実施形態の構成図である。図1
3に示すように、この装置は、第1実施形態と比べて、
共振光路中に配設されたスリット721とスリット72
1を光路に垂直な方向に移動するスリット移動手段72
2とを更に備える点が異なる。
【0085】この装置では、スリット移動手段722に
よってスリット721を光軸に垂直方向に移動させる。
この結果、位相分散補償部300によって波長ごとに異
なる光路が設定された多波長の光の中からによって所望
の波長の光のみを共振光とする。こうして、発生する超
短パルスの波長を可変とすることができる。
【0086】(第10実施形態)図14は、本発明の超
短パルスレーザ装置の第10実施形態の構成図である。
図14に示すように、この装置は、第1実施形態と比べ
て、共振器鏡580を更に備え、共振光路をリング状と
した点が異なる。
【0087】この装置では、共振光路がリング状となっ
ているので、レーザ媒質100の配置位置を共振光路中
で任意として、好適に超短パルスを発生できる。
【0088】なお、レーザパルスの繰り返し周波数f
は、 f=c/L ここで、L=共振器長 となる。
【0089】(第11実施形態)図15は、本発明の超
短パルスレーザ装置の第11実施形態の構成図である。
図15に示すように、この装置は、第1実施形態と比べ
て、振動手段530を備えず、レーザ媒質と一体化した
トランスデューサ551と、トランスデューサ551に
変調信号を供給する可変変調信号発生部552とを備え
る点が異なる。
【0090】図16は、トランスデューサ551の構成
図である。図16に示すように、LiNbO3層を備え
て、トランスデューサ機能を実現している。共振条件を
満たすLiNbO3層の厚さdは、 d=Λ(2n+1)/2 Λ=ν/f ここで、Λ:LiNbO3層を進行する超音波の波長 ν:超音波の進行方向でのLiNbO3層内での速度 f:印加周波数 n:整数 ここで、f=268MHz、ν=7.2×105cm/
sec、n=1を与えると、LiNbO3層の厚さd=
216μmとなる。
【0091】本実施形態の装置では、まず、励起源60
0がレーザ媒質100に励起エネルギを供給する。一
方、可変変調信号発生部552がトランスデューサ55
1に変調信号を供給する。この状態で、レーザ媒質10
0で自然放射が発生すると、位相分散補償部300によ
って波長による位相の分散が補償されつつ、共振器内の
光路を伝搬し、強制モード同期されて誘導放射が発生さ
せる。そして、出力鏡520の振動によってモード同期
が始動する。こうして、モード同期したレーザ発振によ
り、超短パルスが得られる。
【0092】本実施形態の装置では、パルス発生部の共
振器中の部分はレーザ媒質と一体に形成されるので、共
振器中にパルス生成部として独立の場所を占める必要が
ない。したがって、装置の小型化が可能となる。
【0093】(第12実施形態)図17は、本発明の超
短パルスレーザ装置の第11実施形態の構成図である。
図17に示すように、この装置は、第1実施形態と比べ
て、レーザ媒質100の温度を調整する温度調整部15
0を更に備えることができる。
【0094】図18は、温度調整部150の構成図であ
る。図18に示すように、温度調整部150は、(i)
レーザ媒質と密着したペルチェ素子151と、(ii)ペ
ルチェ素子151と密着した放熱部152とを備える。
【0095】本実施形態の装置では、レーザ媒質100
にとって好適な動作温度(一般には、低温)にレーザ媒
質100の温度を維持しつつ、レーザ発振が行われる。
この結果、安定した強度の超短パルスを得ることができ
る。
【0096】本発明は、上記の実施形態に限定されるも
のではなく変形が可能である。例えば、第1実施形態に
対する第7実施形態への変形は、第11実施形態に対し
ても可能である。
【0097】
【発明の効果】以上、詳細に説明した通り、本発明の超
短パルスレーザ装置によれば、ブリズム対などの2つ光
学部品から成る位相分散補償部の2つの光学部品の間の
光路中にレーザ媒質が配設される。この結果、安定した
モード同期のために、共振器中のほぼ中央にレーザ媒質
を配置しつつ、共振器長Lを低減可能となる。したがっ
て、繰り返し周波数を向上して、超短パルス光を得るこ
とができる。
【0098】また、共振器Lを可変とすることにより、
パルスの繰り返し周波数を可変とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態の超短パルスレーザ装置
の構成図である。
【図2】位相分散補償部の説明図である。
【図3】本発明の第1実施形態の変形例の超短パルスレ
ーザ装置の構成図である。
【図4】本発明の第2実施形態の超短パルスレーザ装置
の構成図である。
【図5】本発明の第3実施形態の超短パルスレーザ装置
の構成図である。
【図6】本発明の第4実施形態の超短パルスレーザ装置
の構成図である。
【図7】本発明の第5実施形態の超短パルスレーザ装置
の構成図である。
【図8】本発明の第6実施形態の超短パルスレーザ装置
の構成図である。
【図9】MOPAの構成図である。
【図10】本発明の第7実施形態の超短パルスレーザ装
置の構成図である。
【図11】モニタ部710の構成図である。
【図12】本発明の第8実施形態の超短パルスレーザ装
置の構成図である。
【図13】本発明の第9実施形態の超短パルスレーザ装
置の構成図である。
【図14】本発明の第10実施形態の超短パルスレーザ
装置の構成図である。
【図15】本発明の第11実施形態の超短パルスレーザ
装置の構成図である。
【図16】トランスデューサ550の構成図である。
【図17】本発明の第12実施形態の超短パルスレーザ
装置の構成図である。
【図18】温度調整部150の説明図である。
【図19】従来の超短パルスレーザ装置の構成図であ
る。
【図20】従来の超短パルスレーザ装置の構成図であ
る。
【符号の説明】
100,103…レーザ媒質、150…温度調整部、1
51…ペルチェ素子、152…放熱部、210,21
2,220,222…凹面鏡、300,302…位相分
散補償部、310,312,320,322…プリズ
ム、400…励起源、410…半導体レーザ、411…
MOPA、420…集光光学系、510,580…共振
器鏡、520…出力鏡、530…移動手段、540…回
転手段、560,570…搬送器、613…可飽和吸収
体、623,633…凹面鏡、710…モニタ部、71
1…電気光学結晶、712…波長フィルタ、713…光
検出器、721…スリット、722…スリット移動手
段。

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1の光学部品と第2の光学部品とから
    なる位相分散補償部と、 前記位相分散補償部の前記第1の光学部品と前記第2の
    光学部品との間の光路中に配設されたレーザ媒質と、 光路中の光を短パルス化するパルス生成部と、 レーザ光を取り出す光取り出し部と、 複数の共振用鏡を有し、前記複数の共振用鏡で形成され
    る光路中に前記位相分散補償部と、前記レーザ媒質と、
    前記パルス生成部と、前記光取り出し部とが配設される
    共振部と、 前記レーザ媒質を励起する励起源と、 を備えることを特徴とする超短パルスレーザ装置。
  2. 【請求項2】 前記パルス生成部は、前記位相分散補償
    部の前記第1の光学部品と前記第2の光学部品との間の
    光路中に配設されることを特徴とする請求項1記載の超
    短パルスレーザ装置。
  3. 【請求項3】 前記複数の共振用鏡の少なくとも1つの
    配設位置を移動する鏡移動手段を更に備える、ことを特
    徴とする請求項1または請求項2記載の超短パルスレー
    ザ装置。
  4. 【請求項4】 前記複数の共振用鏡の反射面の少なくと
    も1つの光路に対する角度を変化させる鏡回転手段を更
    に備える、ことを特徴とする請求項1から請求項3のい
    ずれかに記載の超短パルスレーザ装置。
  5. 【請求項5】 前記共振部内の光路中に配設されたスリ
    ットと、 前記スリットを光路に垂直な方向に移動するスリット移
    動手段と、 を更に備えることを特徴とする請求項1から請求項3の
    いずれかに記載の超短パルスレーザ装置。
  6. 【請求項6】 前記レーザ媒質は固体レーザ媒質であ
    り、前記励起源は半導体レーザであることを特徴とする
    請求項1から請求項5のいずれかに記載の超短パルスレ
    ーザ装置。
  7. 【請求項7】 前記半導体レーザは、マスター発振子パ
    ワー増幅器構造であることを特徴とする請求項6記載の
    超短パルスレーザ装置。
  8. 【請求項8】 前記複数の共振用鏡の反射面の少なくと
    も1つのを振動させる鏡振動手段を更に備え、前記複数
    の共振用鏡の反射面の少なくとも1つの振動によりモー
    ド同期を始動する、ことを特徴とする請求項1から請求
    項7のいずれかに記載の超短パルスレーザ装置。
  9. 【請求項9】 モード同期状態をモニタし、モード同期
    が始動したときに振動の停止を前記鏡振動手段へ指示
    し、モード同期がはずれたときに振動の開始を前記鏡振
    動手段へ指示するモニタ部を更に備える、ことを特徴と
    する請求項8記載の超短パルスレーザ装置。
  10. 【請求項10】 前記パルス発生部は、 前記固体レーザ媒質中に形成された光変調部と、 前記光変調部に変調信号を供給する可変変調信号発生部
    と、 を備え、強制モード同期を行うことを特徴とする請求項
    1から請求項7のいずれかに記載の超短パルスレーザ装
    置。
  11. 【請求項11】 モード同期状態をモニタし、モード同
    期が始動したときに変調の停止を前記可変変調信号発生
    部へ指示し、モード同期がはずれたときに変調の開始を
    前記可変変調信号発生部へ指示するモニタ部を更に備え
    る、ことを特徴とする請求項10記載の超短パルスレー
    ザ装置。
  12. 【請求項12】 前記固体レーザ媒質の温度を略一定温
    度に保持する温度調整手段を更に備える、ことを特徴と
    する請求項6から請求項11のいずれかに記載の超短パ
    ルスレーザ装置。
  13. 【請求項13】 前記共振用鏡の数は3以上であり、共
    振光路はリング状である、ことを特徴とする請求項1か
    ら請求項12のいずれかに記載の超短パルスレーザ装
    置。
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