WO2017047712A1 - レーザー発振器及びレーザー発振器を備えた分光装置、光コヒーレンストモグラフィ装置、非同期光サンプリング装置、長距離絶対距離計測装置、cwレーザー高速高分解能分光装置 - Google Patents

レーザー発振器及びレーザー発振器を備えた分光装置、光コヒーレンストモグラフィ装置、非同期光サンプリング装置、長距離絶対距離計測装置、cwレーザー高速高分解能分光装置 Download PDF

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laser
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laser oscillator
nonlinear crystal
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拓郎 井手口
將 中村
小林 洋平
圭介 合田
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国立大学法人東京大学
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    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28Investigating the spectrum
    • G01J3/45Interferometric spectrometry
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35Non-linear optics
    • HELECTRICITY
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    • H01S3/10Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/105Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the mutual position or the reflecting properties of the reflectors of the cavity, e.g. by controlling the cavity length
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    • H01S3/106Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity
    • H01S3/108Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using non-linear optical devices, e.g. exhibiting Brillouin or Raman scattering

Definitions

  • the present invention relates to a laser oscillator and a spectroscopic device including the laser oscillator, an optical coherence tomography device, an asynchronous optical sampling device, a long-range absolute distance measuring device, and a CW laser high-speed high-resolution spectroscopic device.
  • Fourier spectroscopy using a Michelson interferometer (also referred to as FT-IR) is widely used.
  • FT-IR Michelson interferometer
  • dual-comb spectroscopy two ultrashort pulse lasers with different repetition frequencies are overlapped and irradiated onto the specimen, the light transmitted through the specimen is detected, and the detected transmitted light is Fourier transformed to obtain a spectral spectrum. obtain.
  • the dual-comb spectroscopy it is possible to measure in a shorter time because the mirror is not mechanically moved and the light transmitted through the test object is detected and Fourier-transformed.
  • the present invention provides a laser oscillator that can reduce the size of the apparatus, a spectroscopic device including the laser oscillator, an optical coherence tomography device, an asynchronous optical sampling device, a long-range absolute distance measuring device, and a CW laser high-speed high-resolution spectroscopic device.
  • a laser oscillator that can reduce the size of the apparatus
  • a spectroscopic device including the laser oscillator, an optical coherence tomography device, an asynchronous optical sampling device, a long-range absolute distance measuring device, and a CW laser high-speed high-resolution spectroscopic device.
  • the laser oscillator according to the present invention includes a first mirror, a second mirror disposed opposite to the first mirror, and a nonlinear crystal disposed between the first mirror and the second mirror, and is guided by an excitation light source.
  • a spectroscopic device comprises: the laser oscillator according to any one of claims 1 to 8; and a photopolymerization unit that superimposes the first pulse laser and the second pulse laser emitted from the laser oscillator; An interference wave detection unit that detects an interference wave obtained by superimposing the first pulse laser and the second pulse laser by the photopolymerization unit; and a Fourier transform unit that Fourier-transforms the detected interference wave. To do.
  • An optical coherence tomography apparatus includes the laser oscillator according to any one of claims 1 to 8.
  • An asynchronous optical sampling apparatus includes the laser oscillator according to any one of claims 1 to 8.
  • a long-distance absolute distance measuring apparatus includes the laser oscillator according to any one of claims 1 to 8.
  • a CW laser high-speed high-resolution spectroscopic device of the present invention includes the laser oscillator according to any one of claims 1 to 8.
  • the laser oscillator of the present invention can oscillate pulse lasers with different repetition frequencies, and requires lasers with two different frequencies such as a dual comb spectrometer. By using it for a simple device, the device can be miniaturized.
  • the spectroscopic device of the present invention includes the laser oscillator according to any one of claims 1 to 8, it can be miniaturized.
  • optical coherence tomography apparatus of the present invention includes the laser oscillator according to any one of claims 1 to 8, it can be miniaturized.
  • the asynchronous optical sampling device of the present invention includes the laser oscillator according to any one of claims 1 to 8, it can be miniaturized.
  • the long-range absolute distance measuring device of the present invention includes the laser oscillator according to any one of claims 1 to 8, it can be miniaturized.
  • the CW laser high-speed and high-resolution spectroscopic device of the present invention includes the laser oscillator according to any one of claims 1 to 8, and thus can be miniaturized.
  • FIG. 5A is a graph showing temporal changes in the repetition frequency of two pulse lasers emitted from the laser oscillator of the embodiment
  • FIG. 5B is a graph showing the difference in repetition frequency between the two pulse lasers emitted from the laser oscillator of the embodiment. It is a graph which shows a time-dependent change.
  • FIG. 6A is a graph showing the change over time of the repetition frequency of two pulse lasers emitted from the laser oscillator according to the embodiment with the box covered, and FIG. 6B is emitted from the laser oscillator according to the embodiment with the box covered. It is a graph which shows a time-dependent change of the difference of the repetition frequency in two pulsed lasers.
  • FIG. 7A is a schematic diagram showing the moving direction of the gain medium, and FIG. 7B is a graph showing the relationship between the distance from the initial position of the gain medium and the difference between the repetition frequencies of the two pulse lasers of the laser oscillator of the embodiment. is there.
  • FIG. 8A is a schematic diagram showing the moving direction of the second mirror, and FIG.
  • FIG. 8B shows the relationship between the distance from the initial position of the second mirror and the difference between the repetition frequencies of the two pulse lasers of the laser oscillator of the embodiment. It is a graph.
  • FIG. 9A is a schematic diagram showing the moving direction of the lens
  • FIG. 9B is a graph showing the relationship between the distance from the initial position of the lens and the difference between the repetition frequencies of the two pulse lasers of the laser oscillator of the embodiment. It is a graph showing the spectrum of the spectrum measured with the spectroscopic device of the embodiment and the spectrum of the pulse laser of the laser oscillator of the embodiment.
  • a laser oscillator 1 includes a first mirror 2, a second mirror 3 disposed opposite to the first mirror 2, and a first mirror.
  • the gain medium 4 that is disposed between the second mirror 3 and the second mirror 3 and can generate a Kerr lens effect (optical Kerr effect) as a nonlinear crystal, and the first mirror 2 and the second mirror 3 that are adjacent to each other are disposed opposite to each other.
  • 3 mirror 5, and output coupler 6 disposed so as to face second mirror 3 and adjacent first mirror 2.
  • the first mirror 2 and the second mirror 3 are arranged so that the focal point of the first mirror 2 and the focal point of the second mirror 3 overlap each other.
  • the first mirror 2 and the second mirror 3 are concave mirrors having a reflectivity of 99.9% and a radius of curvature of 30 mm
  • the gain medium 4 is a titanium sapphire crystal (Ti: Al 2 O) in which sapphire is doped with titanium.
  • the third mirror 5 is a convex mirror having a reflectivity of 99.8% and a radius of curvature of 1000 mm
  • the output coupler 6 is a plane mirror having a reflectivity of 99.0% and can transmit 1% of light.
  • the first mirror 2, the second mirror 3, and the third mirror 5 are chirp mirrors.
  • the group velocity dispersion of the light 11 that circulates around the circular optical path 9 is compensated.
  • a normal mirror can be used instead of the chirp mirror.
  • the group velocity dispersion is compensated by arranging a prism pair on the light path.
  • each mirror is not particularly limited as long as the circulating optical path 9 described below can be formed.
  • the gain medium 4 Yb: YAG, Yb: KYW, Yb: KY (WO 4) 2, Yb: YVO 4, Yb: Sc 2 O 3, Nd: YAG, Cr: YAG, Cr: forsterite, Cr : LiSGaF, Cr: LiSAF, Cr: LiCAF, Cr: ZnS, Cr: ZnSe, Pr: YLF, Yb: Y 2 O 3 , Yb: Lu 2 O 3 and the like can be used.
  • the laser oscillator 1 further includes an excitation light source 7 and a lens 8.
  • the excitation light source 7 is disposed so as to face the gain medium 4 with the first mirror 2 interposed therebetween, and irradiates the gain medium 4 with the excitation light 10.
  • the excitation light 10 is applied to the gain medium 4, the gain medium 4 is excited and light 11 is stimulated and emitted from the gain medium.
  • the excitation light source 7 is appropriately selected according to the type of the gain medium 4.
  • the second harmonic (wavelength 532 nm) of an Nd: YVO 4 laser is used as the excitation light source 7.
  • a laser diode such as a Nd: YAG laser, Nd: YLF laser, Nd: YVO4 laser, AlInGaN or the like, a second harmonic of a Yb fiber laser, a light excitation semiconductor laser, or the like may be used.
  • the lens 8 is disposed between the excitation light source 7 and the first mirror 2, condenses the excitation light 10, and irradiates the gain medium 4 with the condensed excitation light 10.
  • the lens 8 is disposed so that the focal point is located in the gain medium 4.
  • the lens 8 is a convex lens having a focal length of 40 mm.
  • the first mirror 2, the second mirror 3, the third mirror 5, and the output coupler 6 are configured such that the light 11 stimulated and emitted from the gain medium 4 is the gain medium 4, the second mirror 3, the third mirror 5, and the output coupler. 6, the first mirror 2 and the gain medium 4 are arranged with their orientation and position adjusted so that they can circulate in the first direction (the direction of the arrow B shown in FIG. 1) in the order of the ring-shaped circular optical path 9 Is forming.
  • the light 11 stimulated and emitted from the gain medium 4 is in the order of the gain medium 4, the first mirror 2, the output coupler 6, the third mirror 5, the second mirror 3, and the gain medium 4, which are reverse to the first direction.
  • the circulating optical path 9 can also circulate in the second direction (the direction of arrow A shown in FIG. 1). In this way, the stimulated light 11 circulates around the circulating optical path 9 in two directions, the first direction and the second direction.
  • the optical path length of the circulating optical path 9 is set to about 30 cm so that the repetition frequency of the pulse laser oscillated by the laser oscillator 1 is about 1 GHz.
  • the optical path length of the circulating optical path 9 can be appropriately changed according to the repetition frequency to be obtained.
  • the light 11 that circulates in the circular optical path 9 is mode-locked.
  • the light 11, which is circulated in the first optical path 9 in the first direction and mode-locked, is emitted from the output coupler 6 as a first pulse laser (Output B shown in FIG. 1), and circulated in the second optical path 9 in the second direction.
  • the locked light 11 is emitted from the output coupler 6 as a second pulse laser (Output A shown in FIG. 1).
  • the laser oscillator 1 emits two pulse lasers.
  • the gain medium 4 has a parallelogram shape with a bottom surface of 2.3 mm ⁇ 5.0 mm and a prismatic shape with a height of 3.0 mm.
  • the gain medium 4 is arranged so that the light 11 that circulates in the first direction along the circular optical path 9 and the light 11 that circulates in the second direction on the circular optical path 9 can enter at an angle close to the Brewster angle.
  • the gain medium 4 is arranged so that the center of the gain medium 4 is at a position different from the focal point of the first mirror 2 and the focal point of the second mirror 3.
  • the first mirror 2 and the second mirror 3 have the same radius of curvature, so the focal point of the first mirror 2 and the focal point of the second mirror 3 are the centers between the first mirror 2 and the second mirror 3.
  • the gain medium 4 is arranged so that the center of the gain medium 4 is at a position different from the center between the first mirror 2 and the second mirror 3.
  • the center between the first mirror 2 and the second mirror 3 refers to the midpoint of the light path between the first mirror 2 and the second mirror 3
  • the center of the gain medium 4 refers to the inside of the gain medium 4. Says the midpoint of the light path. Arrangement at different positions means that the center of the gain medium 4 is shifted in the first mirror 2 direction or the second mirror 3 direction from the center between the first mirror 2 and the second mirror 3.
  • the center of the gain medium 4 is at a position different from the center between the first mirror 2 and the second mirror 3, the light 11 that strikes the gain medium 4 circulates in the first direction. And the light 11 that circulates in the second direction. Since the way in which the light 11 strikes the gain medium 4 is different, the optical path length in the gain medium 4 is different between the case where the light 11 passes through the gain medium 4 in the first direction and the case where the light 11 passes through the second direction. Different.
  • the optical path length in the gain medium 4 differs depending on the circulation direction, the optical path length of the circulation optical path 9 when the light 11 circulates in the first direction and the optical path length of the circulation optical path 9 when the light 11 circulates in the second direction. Will also be different.
  • the laser oscillator 1 emits a first pulse laser and a second pulse laser having a repetition frequency different from that of the first pulse laser.
  • the gain medium 4 is arranged so that the center is located closer to the second mirror 3 than the center between the first mirror 2 and the second mirror 3. Therefore, the light 11 that circulates around the circulating optical path 9 in the first direction (the direction of arrow B in FIG. 1) and the light 11 that circulates around the circulating optical path 9 in the second direction (the direction of arrow A in FIG. 1).
  • the optical path length in the gain medium 4 is different.
  • the optical path length of the circular optical path 9 is shorter in the second direction, and the second pulse laser (Output A in FIG. 1) has a higher repetition frequency than the first pulse laser (Output B in FIG. 1). high.
  • the fact that the center of the gain medium 4 is at a position different from the center between the first mirror 2 and the second mirror 3 is that the photograph of the laser oscillator 1 is taken from directly above, and the distance is measured from the obtained photographed image. This can be confirmed.
  • the laser oscillator 1 includes a frequency difference adjusting unit 13 that adjusts a difference in repetition frequency between the first pulse laser and the second pulse laser.
  • the frequency difference adjustment unit 13 holds the gain medium 4 as a nonlinear crystal, and moves the frequency difference adjustment unit 13 with an actuator or the like (not shown) provided in the frequency difference adjustment unit 13.
  • the gain medium 4 held is manufactured so as to be movable.
  • the frequency difference adjustment unit 13 is not particularly limited as long as the gain medium 4 can be moved.
  • the frequency difference adjustment unit 13 may be manufactured as a pedestal on which the gain medium 4 is placed.
  • the frequency difference adjustment unit 13 moves the gain medium 4 between the first mirror 2 and the second mirror 3 by moving the gain medium 4 in the first direction or the second direction along the circular optical path 9 between the first mirror 2 and the second mirror 3.
  • the light 11 the focal point of the first mirror 2 and the focal point of the second mirror 3
  • the center of the gain medium 4 are adjusted, and the light 11 that circulates in the first direction is adjusted by adjusting how the light 11 strikes the gain medium 4
  • the difference between the repetition frequency of the first pulse laser and the repetition frequency of the second pulse laser can be adjusted.
  • the difference in repetition frequency between the eleventh pulse laser and the second pulse laser can be easily adjusted.
  • the frequency difference adjusting unit 13 adjusts so that the difference in repetition frequency between the first pulse laser and the second pulse laser is greater than 0 kHz and not greater than 10 kHz.
  • the difference in repetition frequency between the first pulse laser and the second pulse laser is greater than 0 kHz and less than or equal to 10 kHz, the laser oscillator 1 can be measured more reliably when used in a dual comb spectrometer.
  • the laser oscillator 1 of the present embodiment includes the first mirror 2, the second mirror 3 disposed opposite to the first mirror 2, the first mirror 2, and the second mirror 3.
  • the gain medium 4 arranged between them and capable of producing the Kerr lens effect as a nonlinear crystal, the third mirror 5, and the output coupler 6 capable of emitting a laser are included.
  • the light 11 irradiated with the excitation light 10 from the excitation light source 7 and stimulatedly emitted by the excitation light source 7 is converted into the first mirror 2, the gain medium 4, the second mirror 3, and the third mirror. 5, output coupler 6, first direction of first mirror 2 and second mirror 3, gain medium 4, first mirror 2, output coupler 6, third mirror 5, second mirror 3 It was comprised so that the surrounding optical path 9 which can be circulated in two directions was provided.
  • the laser oscillator 1 is arranged at a position where the center of the gain medium 4 is different from the center between the first mirror 2 and the second mirror 3 (different from the focal point of the first mirror 2 and the focal point of the second mirror 3).
  • a second pulse laser that is mode-locked around the optical path 9 and has a repetition frequency different from that of the first pulse laser is emitted from the output coupler 6.
  • the optical path length in the gain medium 4 is different between the first direction and the second direction, the optical path length of the circulating optical path 9 is mode-locked when the light 11 circulates in the first direction. Unlike the case where the light 11 circulates in two directions and is mode-locked, two pulse lasers having different repetition frequencies can be oscillated.
  • the laser oscillator 1 can oscillate two pulse lasers having the same spectrum but different repetition frequencies. And can be used in a dual comb spectrometer.
  • the laser oscillator 1 is used in an apparatus that requires two different repetition frequency lasers, such as a dual comb spectrometer, the laser oscillator and the repetition frequency stabilization mechanism can be omitted, and the apparatus can be downsized.
  • the laser oscillator 1 adjusts the deviation between the center between the first mirror 2 and the second mirror 3 and the center of the gain medium 4 by moving the position of the gain medium 4, and the repetition frequency of the first pulse laser and the first frequency are changed.
  • a frequency difference adjustment unit that adjusts the difference between the repetition frequencies of the two-pulse lasers, the difference between the repetition frequencies of the first pulse laser and the second pulse laser can be easily adjusted.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention.
  • the laser oscillator shown in FIG. 21, the nonlinear crystal 24 is further arranged in the laser oscillator 21 in addition to the gain medium 34, and the gain medium 34 is irradiated with the excitation light 30 and the light 31 stimulated and emitted from the gain medium 34 is obtained by the gain medium 34.
  • It may be configured to oscillate two pulse lasers having different repetitive frequencies by mode-locking and disposing the center of the nonlinear crystal 24 with the focus of the first mirror 22 and the focus of the second mirror 23.
  • the laser oscillator 21 causes the nonlinear crystal 24 to generate a difference between the repetition frequencies of the two pulse lasers. Good conditions for mode locking can be maintained, and a stable mode locking state can be realized.
  • the laser oscillator 21 includes the gain medium 34 and the nonlinear crystal 24, the nonlinear crystal 24 that produces a nonlinear effect larger than that of the gain medium 4 of the above embodiment can be used. can do.
  • the laser oscillator 21 includes a fourth mirror 32, a fifth mirror 35 disposed opposite to the fourth mirror 32, a gain medium 34 disposed between the fourth mirror 32 and the fifth mirror 35, and a fourth mirror 32.
  • the third mirror 25 arranged to face the adjacent fifth mirror 35, the output coupler 26 arranged to face the fifth mirror 35 and the adjacent fourth mirror 32, and the third mirror 25 adjacent to each other.
  • the second mirror 23 disposed so as to face the output coupler 26 and the first mirror 22 disposed so as to face the third mirror 25 and the second mirror 23 adjacent to the output coupler 26 are disposed to face each other.
  • the 1st mirror 22 and the 2nd mirror 23 are arrange
  • the gain medium 34, the third mirror 25, and the output coupler 26 have the same configuration as the gain medium 4, the third mirror 5, and the output coupler 6 of the above embodiment, and the first mirror 22,
  • the 2 mirror 23, the 4th mirror 32, and the 5th mirror 35 are the structures similar to the 1st mirror 2 of the said embodiment.
  • the nonlinear crystal 24 is made of quartz, and various types of glass or ZnS can be used in addition to quartz.
  • the laser oscillator 21 further includes an excitation light source 27 and a lens 28.
  • the excitation light source 27 is disposed so as to face the gain medium 34 with the first mirror 32 interposed therebetween, and irradiates the gain medium 34 with the excitation light 30.
  • the lens 28 is the same lens as the lens 8, condenses the excitation light 30 and irradiates the gain medium 34.
  • the excitation light 30 emitted from the excitation light source 27 is collected by the lens 28, passes through the fourth mirror 32, and is applied to the gain medium 34.
  • the gain medium 34 is excited by the excitation light source and stimulates and emits the light 31.
  • the laser oscillator 21 includes a fifth mirror 35, a third mirror 25, a first mirror 22, a nonlinear crystal 24, a second mirror 23, an output coupler 26, a fourth mirror 32, and the light 31 stimulated and emitted from the gain medium 34.
  • the positions and orientations of these mirrors and the like are adjusted so that the gain medium 34 can circulate in the first direction in the order (the direction of arrow B in FIG. 2), and the circular optical path 29 is formed.
  • the fourth mirror 32, the output coupler 26, the second mirror 23, the nonlinear crystal 24, the first mirror 22, the third mirror 25, and the fifth mirror 35 are arranged so that the light 31 is in the direction opposite to the first direction.
  • the gain medium 34 can also circulate in the second direction in the order (the direction of arrow A in FIG. 2).
  • Other configurations are the same as those of the laser oscillator 1.
  • the gain medium 34 mode-locks the light 31 that circulates around the circulating optical path 29.
  • the center of the gain medium 34 is arranged so as to overlap the center between the fourth mirror 32 and the fifth mirror 35, but the center of the gain medium 34 is between the fourth mirror 32 and the fifth mirror 35. You may arrange
  • the fourth mirror 32 and the fifth mirror 35 the same lens may be used, or lenses having different curvature radii may be used.
  • the nonlinear crystal 24 is arranged so that the center of the nonlinear crystal 24 is shifted from the focal point of the first mirror 22 and the focal point of the second mirror 23.
  • the center of the nonlinear crystal 24 is the center between the first mirror 22 and the second mirror 23 (definition of the center of the nonlinear crystal 24). Is the same as that of the central embodiment of the gain medium 4, and the definition of the center between the first mirror 22 and the second mirror 23 is the same as the center between the first mirror 2 and the second mirror 3.
  • the way the light strikes the nonlinear crystal 24 is different between the first direction and the second direction, and the optical path length in the nonlinear crystal 24 is different between the first direction and the second direction.
  • the optical path length of 29 is different between the case where the light 31 circulates in the first direction and the case where the light 31 circulates in the second direction, and two pulse lasers having different repetition frequencies can be emitted.
  • the nonlinear crystal 24 is formed in the same shape as the gain medium 34, but the shape thereof is not particularly limited, and may be, for example, a plate shape.
  • nonlinear crystal 24 is arranged so that the light 31 that circulates in the first direction around the circular optical path 29 and the light 31 that circulates in the second direction along the circular optical path 29 can be incident at an angle close to the Brewster angle.
  • the laser oscillator 21 may further have a plurality of nonlinear crystals.
  • the laser oscillator 21 of the present modification may include a frequency difference adjustment unit that holds the nonlinear crystal 24 and moves the position of the nonlinear crystal 24, and the frequency difference adjustment unit may adjust the frequency difference repeatedly.
  • the said embodiment demonstrated the case where the curvature radius of the 1st mirror 2 and the 2nd mirror 3 was equal
  • the said modification demonstrated the case where the curvature radius of the 1st mirror 22 and the 2nd mirror 23 was equal
  • the invention is not limited to this, and the first mirror 2 (22) and the second mirror 3 (23) may have different radii of curvature.
  • the first mirror 2 (22) and the second mirror 3 (23) are arranged so that the focal point of the first mirror 2 (22) and the focal point of the second mirror 3 (23) overlap, and the gain medium 4
  • the (nonlinear crystal 24) is arranged such that the center of the gain medium 4 (nonlinear crystal 24) is different from the focal point of the first mirror 2 (22) and the focal point of the second mirror 3 (23).
  • the laser oscillator 1 (21) is different in how the light 11 (31) strikes the gain medium 4 (nonlinear crystal 24) in the first direction and the second direction, and the gain medium 4 (nonlinear crystal 24). Since the optical path lengths are different, two pulse lasers having different repetition frequencies can be emitted.
  • the frequency difference adjusting unit 13 holds the gain medium 4 and moves the position of the gain medium 4, so that the focal point of the first mirror 2 and the focal point of the second mirror 3 (first mirror 2 and The center of the second mirror 3) and the center of the gain medium 4 are adjusted to adjust the difference in repetition frequency between the first pulse laser and the second pulse laser, but the present invention is not limited to this. Absent.
  • the frequency difference adjusting unit 13 holds the first mirror 2 or the second mirror 3 and positions the first mirror 2 or the second mirror 3 along the circulating optical path 9 between the first mirror 2 and the second mirror 3. To adjust the difference between the center of the gain medium 4 and the focal point of the first mirror 2 and the focal point of the second mirror 3 to adjust the difference in repetition frequency.
  • the frequency difference adjustment unit 13 holds the lens 8 and moves the lens 8 along the excitation light 10 so that the focal point of the lens 8 is set at a position different from the center of the gain medium 4. May be adjusted.
  • the focal position of the lens 8 is shifted from the center of the gain medium 4
  • the overlap of the light 11 stimulated and emitted by the gain medium 4 and the excitation light 10 in the gain medium 4 is in the first direction and the first direction. It becomes different in two directions.
  • the mode 11 of the light 11 is different in the first direction and the second direction, and the way the light hits the gain medium 4 is different in the first direction and the second direction.
  • the frequency difference adjustment unit 13 can adjust the difference in the repetition frequency by moving the lens 8.
  • the frequency difference adjusting unit 13 may adjust the frequency difference repeatedly by moving at least two of the first mirror 2, the second mirror 3, the gain medium 4, and the lens 8.
  • the frequency difference adjusting unit 13 is configured by a driving mechanism such as an actuator that holds the first mirror 2, the second mirror 3, the gain medium 4, and the lens 8 and can move them separately.
  • the first pulse laser and the second pulse laser emitted from the laser oscillator 1 of the present embodiment are ultrashort pulse lasers of about 1 GHz.
  • Ultrashort pulse lasers generally have a discrete spectral structure, so-called optical frequency comb, in which longitudinal modes are arranged at repetition frequency intervals.
  • the laser oscillator 1 can oscillate two pulse lasers having the same spectrum but different repetition frequencies. Therefore, the laser oscillator 1 can be used as a laser light source of a dual comb spectrometer.
  • the dual comb spectroscopic device 40 as a spectroscopic device using the laser oscillator 1 of the present embodiment includes a laser oscillator 1 and a first pulse laser emitted from the laser oscillator 1 (Output B shown in FIG. 3). ) And the second pulse laser (Output A shown in FIG. 3) are overlapped and interfered with each other, an interference wave detection unit 43 for detecting the interference wave of the first pulse laser and the second pulse laser, and detection A Fourier transform unit 44 for Fourier transforming the interference wave is provided.
  • the photopolymerization unit 41 includes a beam splitter 41a and a mirror 41b.
  • the beam splitter 41a is disposed on the light beam of the second pulse laser.
  • the mirror 41b is disposed on the light beam of the first pulse laser, reflects the first pulse laser, and enters the beam splitter 41a.
  • the directions of the beam splitter 41a and the mirror 41b are adjusted so that the first pulse laser and the second pulse laser interfere with each other.
  • a plate-type beam splitter (manufactured by THORLABS, model number: BSW11) is used as the beam splitter 41a, and a plane mirror is used as the mirror 41b.
  • the configuration of the photopolymerization unit 41 is not particularly limited as long as the first pulse laser and the second pulse laser can interfere with each other.
  • the interference wave detection unit 43 is disposed on the interference wave of the first pulse laser and the second pulse laser emitted from the photopolymerization unit 41, detects the interference wave, and converts it into an electrical signal.
  • a Si high-speed PIN (RF) amplification photodetector FPD310-FV manufactured by MenloSystems
  • FPD310-FV Si high-speed PIN (RF) amplification photodetector
  • the Fourier transform unit 44 receives the electrical signal of the interference wave transmitted from the interference wave detection unit 43, and Fourier transforms the interference wave converted to the electrical signal.
  • the Fourier transform unit 44 includes a low-pass filter 44a and a digitizer 44b.
  • the low pass filter 44a removes high frequency components such as noise included in the electric signal of the interference wave.
  • the digitizer 44b converts the electrical signal of the interference wave that has passed through the low-pass filter 44a into a digital signal.
  • the Fourier transform unit 44 includes a computation unit (not shown), processes a digital signal by the computation unit, and Fourier transforms the interference wave.
  • BLP-550 + manufactured by Mini-Circuits is used as the low-pass filter 44a
  • ATS9440 manufactured by Alazar Tech is used as the digitizer 44b
  • a PC personal computer
  • the electrical signal of the interference wave is digitized by the digitizer 44b and stored as data in a storage device of the PC. Thereafter, the interference wave data stored in the storage device of the PC is processed by the PC, and the interference wave is Fourier transformed. The spectrum data of the interference wave obtained by the Fourier transform is stored in the storage device of the PC.
  • the Fourier transform unit 44 is not particularly limited as long as it can Fourier transform the interference wave, and may perform Fourier transform by calculation using a PC or the like as in the present embodiment, or a dedicated hardware such as a Fourier transform processing circuit.
  • the Fourier transform may be performed using wear.
  • the Fourier transform unit 44 may include a display unit (in the case of the present embodiment, a PC monitor (not shown)) that displays spectral spectrum data, and may display the spectral spectrum on the display unit. Furthermore, the Fourier transform unit 44 may include a transmission unit that transmits spectral spectrum data to another device.
  • a display unit in the case of the present embodiment, a PC monitor (not shown)
  • the Fourier transform unit 44 may include a transmission unit that transmits spectral spectrum data to another device.
  • a test object to be measured is disposed between the output coupler 6 of the laser oscillator 1 and the mirror 41b, and the first pulse laser is irradiated onto the test object.
  • the frequency characteristics of the first pulse laser change in accordance with the light absorption characteristics of the test object in the process of passing through the test object.
  • the frequency characteristic of the interference wave between the first pulse laser and the second pulse laser that has passed through the test object also changes according to the light absorption characteristic of the test object.
  • the light absorption characteristics of the test object can be analyzed.
  • test object Even if the test object is disposed between the output coupler 6 and the beam splitter 41a and the test object is irradiated with the second pulse laser, the test object is detected by the beam splitter 41a and the interference wave detector 43. Even if it is arranged in between and the interference wave is irradiated to the test object, a spectrum corresponding to the light absorption characteristic of the test object can be obtained, and the light absorption characteristic of the test object can be analyzed.
  • a conventional dual-comb spectrometer has had to prepare two laser oscillators and a repetition frequency stabilization mechanism. However, by using the laser oscillator 1, one laser oscillator and the repetition frequency stabilization mechanism can be eliminated. The device can be simplified and miniaturized.
  • the laser oscillator 1 of the present embodiment has the characteristics as described above. Therefore, it is necessary to use two pulse lasers having different repetition frequencies, for example, Non-Patent Document 2.
  • Optical coherence tomography device described, asynchronous optical sampling device described in Non-Patent Document 3, long-range absolute distance measuring device described in Non-Patent Document 4, CW described in Non-Patent Document 5 It can also be used for a laser high-speed and high-resolution spectroscope.
  • the laser oscillator 1 can be simplified and miniaturized by using it in an apparatus that needs to use two pulse lasers having different repetition frequencies.
  • the horizontal axis represents the wavelength of each pulse laser, and the vertical axis represents the intensity (arbitrary unit) of each wavelength of each pulse laser.
  • Output A and Output B in FIG. 4 correspond to Output A and Output B in FIG. 1, respectively.
  • the solid line in FIG. 4 is the spectrum of the second pulse laser, and the broken line is the spectrum of the first pulse laser.
  • the spectrum of the first pulse laser and the spectrum of the second laser are almost the same, and it can be seen that the laser oscillator 1 can oscillate a laser having a similar spectrum.
  • the horizontal axis represents time
  • the vertical axis represents the repetition frequency
  • the horizontal axis represents time
  • the vertical axis represents the difference in repetition frequency
  • the time-dependent change in the difference in repetition frequency between the second pulse laser and the first pulse laser is represented.
  • Output A and Output B in FIG. 5 are the same as those in FIG.
  • the repetition frequency of the first pulse laser is different from the repetition frequency of the second pulse laser.
  • the difference between the repetition frequencies of the first pulse laser and the second pulse laser is stable at about 455 Hz ⁇ 3 Hz.
  • the laser oscillator 1 can oscillate two pulse lasers having different repetition frequencies.
  • the laser oscillator 1 was covered with a rectangular parallelepiped box formed of aluminum having a thickness of about 5 mm, and the frequency was measured in the same manner. The result is shown in FIG. In FIG. 6, the repetition frequency monotonously decreases with respect to time for both the first pulse laser and the second pulse laser because the room temperature changed during the measurement.
  • the horizontal axis of FIG. 6 is time, and the vertical axis is the repetition frequency.
  • the horizontal axis represents time
  • the vertical axis represents the repetition frequency
  • the horizontal axis represents time
  • the vertical axis represents the difference in repetition frequency
  • the time-dependent change in the difference in repetition frequency between the second pulse laser and the first pulse laser is represented.
  • the repetition frequencies of the first pulse laser and the second pulse laser are different.
  • the difference of the repetition frequency of a 1st pulse laser and a 2nd pulse laser is very stable with about 216.55 +/- 0.15Hz.
  • the difference in the number of repetitions can be further stabilized by covering the laser oscillator 1 with a box. Therefore, by covering the laser oscillator 1 with a box, the difference in repetition frequency can be stabilized, and the laser oscillator 1 can be measured with higher accuracy by using, for example, a dual-comb spectrometer.
  • FIG. 7A shows the same components as those in FIG. 1
  • the gain medium 4 is moved in the direction of the second mirror 3 (the direction of the arrow X crystal shown in FIG. 7A).
  • the position of the center 4a was shifted from the center between the first mirror 2 and the second mirror 3, and the relationship between the position of the gain medium 4 and the difference between the repetition frequencies of the two pulse lasers was examined.
  • FIG. 7B shows the result.
  • the vertical axis represents the difference between the repetition frequencies of the two pulse lasers.
  • the state where the center 4a of the gain medium 4 and the center between the first mirror 2 and the second mirror 3 are shifted is set as the initial position. For this reason, even when placed at the initial position, the difference in repetition frequency is about 210 Hz.
  • the difference in the repetition frequency of the pulse laser changes by moving the gain medium 4.
  • the laser oscillator 1 moves the gain medium 4 in the first direction or the second direction along the circular optical path 9 between the first mirror 2 and the second mirror 3 by the frequency difference adjusting unit 13, thereby It can be seen that the difference in repetition frequency between the pulse laser and the second pulse laser can be adjusted.
  • FIG. 8A shows the same components as those in FIG. 1
  • the second mirror 3 is moved in the direction opposite to the gain medium 4 by the frequency difference adjusting unit 13 (the arrow X mirror shown in FIG.
  • the position of the center 3a between the first mirror 2 and the second mirror 3 is shifted from the center of the gain medium 4, and the relationship between the position of the second mirror 3 and the repetition frequency difference between the two pulse lasers is examined. It was.
  • FIG. 8B shows the result.
  • the vertical axis represents the difference between the repetition frequencies of the two pulse lasers.
  • the laser oscillator 1 moves the second mirror 3 along the circular optical path 9 between the first mirror 2 and the second mirror 3 by the frequency difference adjusting unit 13, so that the first pulse laser and the second pulse laser are moved. It can be seen that the difference in the repetition frequency can be adjusted.
  • the lens 8 is moved from the initial position toward the second mirror by the frequency difference adjusting unit 13, and then the lens 8 is moved to the first.
  • the lens 8 is moved in the opposite direction (the direction of the arrow X lens shown in FIG. 9A), the position of the focal point 8a of the lens 8 is shifted from the center of the gain medium 4, and the position of the lens 8 and the repetition frequency of the two pulse lasers.
  • FIG. 9B shows the result.
  • 9B represents the distance from the initial position of the lens 8, and the vertical axis represents the difference between the repetition frequencies of the two pulse lasers.
  • the laser oscillator 1 can adjust the difference between the repetition frequencies of the first pulse laser and the second pulse laser by moving the lens 8 along the excitation light 10 by the frequency difference adjusting unit 13.
  • FT shown in FIG. 10 is a spectrum measured by the dual comb spectrometer 40, and Spectrometer is the square root of the product of the spectrum of the first pulse laser of the laser oscillator 1 and the spectrum of the second laser. As shown in FIG. 10, both spectra are almost the same.
  • the spectrum is considered to be the same as the spectrum of the pulse laser emitted from the laser oscillator 1.

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Abstract

第1ミラー(2)と、第1ミラー(2)と対向配置された第2ミラー(3)と、第1ミラー(2)及び第2ミラー(3)間に配置された非線形結晶としてのカーレンズ効果を生じ得る利得媒体(4)とを含み、励起光源(7)によって誘導放出された光(11)が、第1ミラー(2)、利得媒体(4)、第2ミラー(3)の順の第1方向及び前第2ミラー(3)、利得媒体(4)、第1ミラー(2)の順の第2方向に周回する周回光路(9)を備え、利得媒体(4)内の光路長が第1方向と第2方向とで異なり、光(11)が第1方向に周回光路(9)を周回してモードロックされた第1パルスレーザーと、光(11)が第2方向に周回光路(9)を周回してモードロックされ、繰り返し周波数が第1パルスレーザーと異なる第2パルスレーザーとを出射するので、繰り返いし周波数が異なるパルスレーザーを発振でき、デュアルコム分光装置などの2つの異なる周波数のレーザーが必要な装置に用いることで、装置を小型化できる。

Description

レーザー発振器及びレーザー発振器を備えた分光装置、光コヒーレンストモグラフィ装置、非同期光サンプリング装置、長距離絶対距離計測装置、CWレーザー高速高分解能分光装置
 本発明は、レーザー発振器及びレーザー発振器を備えた分光装置、光コヒーレンストモグラフィ装置、非同期光サンプリング装置、長距離絶対距離計測装置、CWレーザー高速高分解能分光装置に関する。
 分子振動スペクトルを測定するために、マイケルソン干渉計を用いたフーリエ分光法(FT-IRともいう。)が広く用いられている。フーリエ分光法では、測定時にミラーを機械的に移動させる必要がある。そのためフーリエ分光法では、ミラーの移動速度が測定速度を向上するうえでボトルネックとなり、測定速度を向上し難い。
 そこで、フーリエ分光法より高い分解能でかつ短時間で分光スペクトルを取得できるデュアルコム分光法が注目されている(非特許文献1参照)。
 デュアルコム分光法は、繰り返し周波数が異なる2つの超短パルスレーザーを重ね合わせて被検物に照射し、被検物を透過した光を検出し、検出した透過光をフーリエ変換して分光スペクトルを得る。このようにデュアルコム分光法では、ミラーを機械的に移動させることがなく、被検物を透過した光を検出してフーリエ変換すればよいので、より短時間で測定できる。
A. Schliesseret al., Optics Express 13, 9029 (2005) S.-J. Lee et al., Japanese Journal of Applied Physics. 40, L878-L880 (2001) A. Bartels et al., Review of Scientific Instruments 78, 035107 (2007) I. Coddington et al., Nature Photonics 3, 351-356 (2009) F. R. Giorgettaet al., Nature Photonics 4, 853-857 (2010)
 しかしながら、デュアルコム分光法のように異なる周波数のレーザーを用いる測定方法では、2台のレーザー発振器と繰り返し周波数安定化機構とを用意する必要があり、装置を小型化することが難しかった。
 そこで、本発明は、装置を小型化できるレーザー発振器及びレーザー発振器を備えた分光装置、光コヒーレンストモグラフィ装置、非同期光サンプリング装置、長距離絶対距離計測装置、CWレーザー高速高分解能分光装置を提供することを目的とする。
 本発明のレーザー発振器は、第1ミラーと、前記第1ミラーと対向配置された第2ミラーと、前記第1ミラー及び前記第2ミラー間に配置された非線形結晶とを含み、励起光源によって誘導放出された光が、前記第1ミラー、前記非線形結晶、前記第2ミラーの順の第1方向及び前記第2ミラー、前記非線形結晶、前記第1ミラーの順の第2方向に周回する周回光路を備え、前記非線形結晶内の光路長が前記第1方向と前記第2方向とで異なり、前記光が前記第1方向に前記周回光路を周回してモードロックされた第1パルスレーザーと、前記光が前記第2方向に前記周回光路を周回してモードロックされ、繰り返し周波数が前記第1パルスレーザーと異なる第2パルスレーザーとを出射することを特徴とする。
 本発明の分光装置は、請求項1~8のいずれか1項に記載のレーザー発振器と、前記レーザー発振器から出射された前記第1パルスレーザー及び前記第2パルスレーザーを重ね合わせる光重合手段と、前記第1パルスレーザー及び前記第2パルスレーザーを前記光重合手段によって重ね合わせた干渉波を検出する干渉波検出手段と、検出した前記干渉波をフーリエ変換するフーリエ変換手段とを備えることを特徴とする。
 本発明の光コヒーレンストモグラフィ装置は、請求項1~8のいずれか1項に記載のレーザー発振器を備えることを特徴とする。
 本発明の非同期光サンプリング装置は、請求項1~8のいずれか1項に記載のレーザー発振器を備えることを特徴とする。
 本発明の長距離絶対距離計測装置は、請求項1~8のいずれか1項に記載のレーザー発振器を備えることを特徴とする。
 本発明のCWレーザー高速高分解能分光装置は、請求項1~8のいずれか1項に記載のレーザー発振器を備えることを特徴とする。
 本発明のレーザー発振器は、非線形結晶内の光路長が第1方向と第2方向とで異なるので、繰り返し周波数が異なるパルスレーザーを発振でき、デュアルコム分光装置などの2つの異なる周波数のレーザーが必要な装置に用いることで、装置を小型化できる。
 本発明の分光装置は、請求項1~8のいずれか1項に記載のレーザー発振器を備えるので、小型化できる。
 本発明の光コヒーレンストモグラフィ装置は、請求項1~8のいずれか1項に記載のレーザー発振器を備えるので、小型化できる。
 本発明の非同期光サンプリング装置は、請求項1~8のいずれか1項に記載のレーザー発振器を備えるので、小型化できる。
 本発明の長距離絶対距離計測装置は、請求項1~8のいずれか1項に記載のレーザー発振器を備えるので、小型化できる。
 本発明のCWレーザー高速高分解能分光装置は、請求項1~8のいずれか1項に記載のレーザー発振器を備えるので、小型化できる。
実施形態のレーザー発振器の全体構成を示す概略図である。 変形例のレーザー発振器の全体構成を示す概略図である。 実施形態の分光装置の全体構成を示す概略図である。 実施形態のレーザー発振器のから出射された2つのパルスレーザーのスペクトルである。 図5Aは実施形態のレーザー発振器から出射された2つのパルスレーザーの繰り返し周波数の経時変化を示すグラフであり、図5Bは実施形態のレーザー発振器から出射された2つのパルスレーザーにおける繰り返し周波数の差の経時変化を示すグラフである。 図6Aは箱を被せた状態の実施形態のレーザー発振器から出射された2つのパルスレーザーの繰り返し周波数の経時変化を示すグラフであり、図6Bは箱を被せた状態の実施形態のレーザー発振器から出射された2つのパルスレーザーにおける繰り返し周波数の差の経時変化を示すグラフである。 図7Aは、利得媒体の移動方向を表す模式図であり、図7Bは利得媒体の初期位置からの距離と実施形態のレーザー発振器の2つのパルスレーザーの繰り返し周波数の差との関係を表すグラフである。 図8Aは、第2ミラーの移動方向を表す模式図であり、図8Bは第2ミラーの初期位置からの距離と実施形態のレーザー発振器の2つのパルスレーザーの繰り返し周波数の差との関係を表すグラフである。 図9Aは、レンズの移動方向を表す模式図であり、図9Bはレンズの初期位置からの距離と実施形態のレーザー発振器の2つのパルスレーザーの繰り返し周波数の差との関係を表すグラフである。 実施形態の分光装置で測定した分光スペクトルと実施形態のレーザー発振器のパルスレーザーのスペクトルを表すグラフである。
(1)本発明の実施形態に係るレーザー発振器の構成
 図1に示すように、レーザー発振器1は、第1ミラー2と、第1ミラー2と対向配置された第2ミラー3と、第1ミラー2及び第2ミラー3間に配置され、非線形結晶としてのカーレンズ効果(光カー効果)を生じ得る利得媒体4と、第1ミラー2と隣合い第2ミラー3と向かい合うように配置された第3ミラー5と、第2ミラー3と隣合い第1ミラー2と向かい合うように配置されたアウトプットカプラ6とを備えている。
 第1ミラー2及び第2ミラー3は、第1ミラー2の焦点と第2ミラー3の焦点とが重なるように配置されている。
 本実施形態の場合、第1ミラー2及び第2ミラー3は反射率99.9%曲率半径30mmの凹面鏡であり、利得媒体4はサファイアにチタンがドープされたチタンサファイア結晶(Ti:Al2O3)であり、第3ミラー5は反射率99.8%曲率半径1000mmの凸面鏡であり、アウトプットカプラ6は反射率99.0%の平面鏡であり、1%の光が透過できる。
 さらに本実施形態の場合、第1ミラー2、第2ミラー3、及び第3ミラー5は、チャープミラーである。このように各ミラーをチャープミラーとすることで、周回光路9を周回する光11の群速度分散を補償している。チャープミラーのかわりに通常のミラーを用いることもできる。その場合は、プリズム対を光の経路上に配置するなどして群速度分散を補償する。
 なお、各ミラーの形状や反射率なども、下記で説明する周回光路9を形成することができれば、特に限定されない。また、利得媒体4としては、Yb: YAG, Yb:KYW, Yb:KY(WO4)2, Yb:YVO4, Yb:Sc2O3, Nd:YAG, Cr:YAG, Cr:forsterite, Cr:LiSGaF, Cr:LiSAF, Cr:LiCAF, Cr:ZnS, Cr:ZnSe, Pr:YLF,Yb:Y2O3,Yb:Lu2O3などを用いることができる。
 さらにレーザー発振器1は、励起光源7とレンズ8とを備えている。励起光源7は、第1ミラー2を挟んで利得媒体4と対向するように配置されており、励起光10を利得媒体4に照射する。励起光10が利得媒体4に照射されると利得媒体4が励起され、利得媒体から光11が誘導放出される。
 励起光源7は、利得媒体4の種類に合わせて適宜選択される。利得媒体4がチタンサファイア結晶である本実施形態では、励起光源7としてNd:YVO4レーザーの第二高調波(波長532nm)を用いた。また、励起光源7としては、Nd:YAGレーザー、Nd:YLFレーザー、Nd:YVO4レーザー、AlInGaNなどによるレーザーダイオードやYbファイバーレーザーの第二高調波、光励起半導体レーザーなどを用いてもよい。
 レンズ8は、励起光源7と第1ミラー2の間に配置されており、励起光10を集光し、集光された励起光10を利得媒体4に照射する。またレンズ8は、焦点が利得媒体4内に位置するように配置されている。本実施形態の場合、レンズ8は、焦点距離が40mmの凸レンズである。
 第1ミラー2、第2ミラー3、第3ミラー5、及びアウトプットカプラ6は、利得媒体4から誘導放出された光11が利得媒体4、第2ミラー3、第3ミラー5、アウトプットカプラ6、第1ミラー2、利得媒体4の順の第1方向(図1に示す矢印Bの方向)に周回できるように、向きや位置が調整されて配置されており、リング状の周回光路9を形成している。
 利得媒体4から誘導放出された光11は第1方向とは逆回りである利得媒体4、第1ミラー2、アウトプットカプラ6、第3ミラー5、第2ミラー3、利得媒体4の順の第2方向(図1に示す矢印Aの方向)にも周回光路9を周回できる。このように、誘導放出された光11は、第1方向及び第2方向の2方向に周回光路9を周回する。
 本実施形態の場合、周回光路9は、レーザー発振器1で発振されるパルスレーザーの繰り返し周波数を1GHz程度にするために、光路長が30cm程度に設定されている。周回光路9の光路長は、得たい繰り返し周波数に合わせて適宜変更することができる。
 利得媒体4においてカーレンズ効果を生じるため、周回光路9を周回する光11はモードロックされる。第1方向に周回光路9を周回してモードロックされた光11はアウトプットカプラ6から第1パルスレーザー(図1に示すOutputB)として出射され、第2方向に周回光路9を周回してモードロックされた光11はアウトプットカプラ6から第2パルスレーザー(図1に示すOutputA)として出射される。このように、レーザー発振器1は2つのパルスレーザーを出射する。
 本実施形態の場合、利得媒体4は、底面が2.3mm×5.0mmの平行四辺形で、高さが3.0mmの角柱形状に形成されている。利得媒体4は、周回光路9を第1方向に周回する光11と周回光路9を第2方向に周回する光11とが共にブリュースター角に近い角度で入射できるように配置されている。
 さらに、利得媒体4は、利得媒体4の中心が第1ミラー2の焦点及び第2ミラー3の焦点と異なる位置になるように配置されている。本実施形態の場合、第1ミラー2及び第2ミラー3の曲率半径が同じであるので、第1ミラー2の焦点及び第2ミラー3の焦点は第1ミラー2及び第2ミラー3間の中心に位置する。すなわち、利得媒体4は、利得媒体4の中心が第1ミラー2及び第2ミラー3間の中心と異なる位置になるように配置されている。
 本明細書では、第1ミラー2及び第2ミラー3間の中心とは第1ミラー2及び第2ミラー3間の光の経路の中点を言い、利得媒体4の中心とは利得媒体4内の光の経路の中点を言う。そして、異なる位置に配置されるとは、利得媒体4の中心が、第1ミラー2及び第2ミラー3間の中心から第1ミラー2方向又は第2ミラー3方向にずれていることをいう。
 本実施形態は、利得媒体4の中心が第1ミラー2及び第2ミラー3間の中心と異なる位置にあるため、利得媒体4への光11の当たり方が、第1方向に周回する光11と第2方向に周回する光11とで異なる。利得媒体4への光11の当たり方が異なるので、利得媒体4を第1方向に光11が透過する場合と第2方向に光11が透過する場合とで、利得媒体4内の光路長が異なる。
 利得媒体4内の光路長が周回方向によって異なるため、光11が第1方向に周回するときの周回光路9の光路長と、光11が第2方向に周回するときの周回光路9の光路長も異なることとなる。その結果、レーザー発振器1は、第1パルスレーザーと、繰り返し周波数が第1パルスレーザーと異なる第2パルスレーザーとを出射する。
 本実施形態の場合、利得媒体4は、第1ミラー2及び第2ミラー3間の中心よりも第2ミラー3側に中心が位置するように配置されている。そのため、第1方向(図1中の矢印Bの方向)に周回光路9を周回する光11と、第2方向(図1中の矢印Aの方向)に周回光路9を周回する光11とは、利得媒体4内の光路長が異なる。本実施形態の場合、第2方向の方が周回光路9の光路長が短く、第2パルスレーザー(図1中のOutputA)の方が第1パルスレーザー(図1中のOutputB)より繰り返し周波数が高い。
 なお、利得媒体4の中心が第1ミラー2及び第2ミラー3間の中心と異なる位置にあることは、レーザー発振器1の写真を真上から撮影し、得られた撮影画像から距離を計測することで確認できる。
 また、レーザー発振器1は、第1パルスレーザーと第2パルスレーザーとの繰り返し周波数の差を調整する周波数差調整部13を備えている。本実施形態の場合、周波数差調整部13は、非線形結晶としての利得媒体4を保持し、周波数差調整部13に備えられた例えばアクチュエータなど(図示せず)で周波数差調整部13を動かすことで、保持した利得媒体4を移動できるように作製されている。周波数差調整部13は、利得媒体4を動かすことができれば特に限定されず、例えば、利得媒体4を載置する台座として作製してもよい。
 周波数差調整部13は、利得媒体4を第1ミラー2及び第2ミラー3間の周回光路9に沿って第1方向又は第2方向に動かすことで、第1ミラー2及び第2ミラー3間の中心(第1ミラー2の焦点と第2ミラー3の焦点)と利得媒体4の中心のずれを調整し、光11の利得媒体4へ当たり方を調整して第1方向に周回する光11と第2方向に周回する光11の利得媒体4内の光路長を変えることで、第1パルスレーザーの繰り返し周波数と第2パルスレーザーの繰り返し周波数の差を調整できる。このような周波数差調整部13を備えることで、第11パルスレーザーと第2パルスレーザーとの繰り返し周波数の差を容易に調整できる。
 また、周波数差調整部13は、第1パルスレーザーと第2パルスレーザーの繰り返し周波数の差が0kHzより大きく10kHz以下となるように調整するのが好ましい。第1パルスレーザーと第2パルスレーザーの繰り返し周波数の差が0kHzより大きく10kHz以下であると、レーザー発振器1をデュアルコム分光装置に用いたとき、より確実に測定することができる。
(2)作用及び効果
 以上の構成において、本実施形態のレーザー発振器1は、第1ミラー2と、第1ミラー2と対向配置された第2ミラー3と、第1ミラー2及び第2ミラー3間に配置され、非線形結晶としてのカーレンズ効果を生じ得る利得媒体4と、第3ミラー5と、レーザーを射出できるアウトプットカプラ6とを含むように構成した。
 またレーザー発振器1は、励起光源7の励起光10が利得媒体4に照射されて励起光源7によって誘導放出された光11が、第1ミラー2、利得媒体4、第2ミラー3、第3ミラー5、アウトプットカプラ6、第1ミラー2の順の第1方向及び第2ミラー3、利得媒体4、第1ミラー2、アウトプットカプラ6、第3ミラー5、第2ミラー3の順の第2方向に周回できる周回光路9を備えるように構成した。
 さらにレーザー発振器1は、利得媒体4の中心が、第1ミラー2及び第2ミラー3間の中心と異なる(第1ミラー2の焦点及び第2ミラー3の焦点と異なる)位置に配置され、利得媒体4内の光路長が第1方向と第2方向とで異なり、光11が第1方向に周回光路9を周回してモードロックされた第1パルスレーザーと、光11が第2方向に周回光路9を周回してモードロックされ、繰り返し周波数が第1パルスレーザーと異なる第2パルスレーザーとをアウトプットカプラ6から出射するように構成した。
 よってレーザー発振器1は、利得媒体4内の光路長が第1方向と第2方向とで異なるので、周回光路9の光路長が第1方向に光11が周回してモードロックされる場合と第2方向に光11が周回してモードロックされる場合とで異なり、繰り返し周波数の異なる2つのパルスレーザーを発振できる。
 加えてレーザー発振器1は、第1パルスレーザーと第2パルスレーザーとが同じ利得媒体4によって励起されモードロックされるので、同様のスペクトルを有する繰り返し周波数の異なる2つのパルスレーザーを発振することができ、デュアルコム分光装置に用いることができる。レーザー発振器1は、デュアルコム分光装置などの2つの異なる繰り返し周波数のレーザーが必要な装置に用いることで、レーザー発振器や繰り返し周波数安定化機構を省略でき、装置を小型化できる。
 また、レーザー発振器1は、利得媒体4の位置を動かすことで、第1ミラー2及び第2ミラー3間の中心と利得媒体4の中心のずれを調整し、第1パルスレーザーの繰り返し周波数と第2パルスレーザーの繰り返し周波数の差を調整する周波数差調整部を備えるようにすることで、第1パルスレーザーと第2パルスレーザーの繰り返し周波数の差を容易に調整することができる。
(3)その他の実施形態
 なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能であり、例えば、図2に示すレーザー発振器21のように、レーザー発振器21内に利得媒体34に加えて非線形結晶24をさらに配置し、励起光30を利得媒体34に照射して利得媒体34から誘導放出された光31を利得媒体34でモードロックし、非線形結晶24の中心を、第1ミラー22の焦点及び第2ミラー23の焦点とずらして配置することで繰り返し周波数の異なる2つのパルスレーザーを発振するように構成してもよい。
 このように、利得媒体34と非線形結晶24とを備えるようにすることで、レーザー発振器21は、2つのパルスレーザーの繰り返し周波数の差の生成を非線形結晶24に担わせることにより、利得媒体34がモードロックに良い条件を維持できるようになり、安定したモードロック状態を実現できる。
 さらに、レーザー発振器21は、利得媒体34と非線形結晶24とを備えることで、上記実施形態の利得媒体4より大きな非線形効果を生じる非線形結晶24を用いることができるので、繰り返し周波数の差をより大きくすることができる。
 レーザー発振器21は、第4ミラー32と、第4ミラー32と対向配置された第5ミラー35と、第4ミラー32及び第5ミラー35間に配置された利得媒体34と、第4ミラー32と隣合い第5ミラー35と向かい合うように配置された第3ミラー25と、第5ミラー35と隣合い第4ミラー32と向かい合うように配置されたアウトプットカプラ26と、第3ミラー25と隣合いアウトプットカプラ26と向かい合うように配置された第2ミラー23と、アウトプットカプラ26と隣合い第3ミラー25及び第2ミラー23と向かい合うように配置された第1ミラー22と、対向配置された第1ミラー22及び第2ミラー23間に配置された非線形結晶24とを備えている。第1ミラー22及び第2ミラー23は焦点が重なるように配置されている。
 本変形例では、利得媒体34、第3ミラー25、アウトプットカプラ26は、上記実施形態の利得媒体4、第3ミラー5、アウトプットカプラ6と同様の構成であり、第1ミラー22、第2ミラー23、第4ミラー32、及び、第5ミラー35は、上記実施形態の第1ミラー2と同様の構成である。非線形結晶24は、本変形例の場合、石英で形成されており、石英以外にも各種ガラスやZnSなどを用いることができる。
 レーザー発振器21は、励起光源27とレンズ28とをさらに備える。励起光源27は、第1ミラー32を挟んで利得媒体34と対向するように配置され、励起光30を利得媒体34に照射する。レンズ28は、レンズ8と同様のレンズであり、励起光30を集光して利得媒体34に照射する。
 励起光源27から出射された励起光30が、レンズ28で集光され、第4ミラー32を透過して利得媒体34に照射される。利得媒体34は、励起光30が照射されると励起光源によって励起されて光31を誘導放出する。
 レーザー発振器21は、利得媒体34から誘導放出された光31が第5ミラー35、第3ミラー25、第1ミラー22、非線形結晶24、第2ミラー23、アウトプットカプラ26、第4ミラー32、利得媒体34の順の第1方向(図2中の矢印Bの方向)に周回できるようにこれらのミラーなどの位置や向きが調整され、周回光路29が形成されている。周回光路29は、光31が第1方向とは逆方向に、第4ミラー32、アウトプットカプラ26、第2ミラー23、非線形結晶24、第1ミラー22、第3ミラー25、第5ミラー35、利得媒体34の順の第2方向(図2中の矢印Aの方向)にも周回できる。他の構成は、レーザー発振器1と同様である。
 利得媒体34は、周回光路29を周回する光31をモードロックする。本変形例の場合、利得媒体34の中心が第4ミラー32及び第5ミラー35間の中心と重なるように配置されているが、利得媒体34の中心が第4ミラー32及び第5ミラー35間の中心と異なる位置になるように配置されていてもよい。第4ミラー32及び第5ミラー35として、同じレンズを用いてもよく、曲率半径の異なるレンズを用いてもよい。
 このようなレーザー発振器21では、非線形結晶24が、非線形結晶24の中心が第1ミラー22の焦点及び第2ミラー23の焦点からずれるように配置されている。本変形例の場合、第1ミラー22と第2ミラー23の曲率半径が同じであるので、非線形結晶24の中心が第1ミラー22及び第2ミラー23間の中心(非線形結晶24の中心の定義は、利得媒体4の中心実施例と同様であり、第1ミラー22及び第2ミラー23間の中心の定義は、第1ミラー2及び第2ミラー3間の中心と同様である。)からずれるように配置されている。
 よって、レーザー発振器21は、非線形結晶24への光の当たり方が第1方向と第2方向とで異なり、非線形結晶24内の光路長が第1方向と第2方向とで異なるので、周回光路29の光路長が、光31が第1方向に周回する場合と、光31が第2方向に周回する場合とで異なり、繰り返し周波数の異なる2つのパルスレーザーを出射できる。
 非線形結晶24は、本変形例の場合、利得媒体34と同様の形状に形成されているが、その形状は特に限定されず、例えば、板状形状であってもよい。
 また非線形結晶24は、周回光路29を第1方向に周回する光31と周回光路29を第2方向に周回する光31とが共にブリュースター角に近い角度で入射できるように配置されている。
 レーザー発振器21は、さらに複数の非線形結晶を有していてもよい。
 さらに、本変形例のレーザー発振器21は、非線形結晶24を保持し、非線形結晶24の位置を移動させる周波数差調整部を備え、周波数差調整部によって繰り返し周波数の差を調整するようにしてもよい。
 また上記実施形態では、第1ミラー2及び第2ミラー3の曲率半径が等しい場合について説明し、上記変形例では第1ミラー22及び第2ミラー23の曲率半径が等しい場合について説明したが、本発明はこれに限られず、第1ミラー2(22)及び第2ミラー3(23)の曲率半径が異なっていてもよい。
 この場合も、第1ミラー2(22)及び第2ミラー3(23)は、第1ミラー2(22)の焦点及び第2ミラー3(23)の焦点が重なるように配置され、利得媒体4(非線形結晶24)は、利得媒体4(非線形結晶24)の中心が第1ミラー2(22)の焦点及び第2ミラー3(23)の焦点と異なるように配置される。
 その結果、レーザー発振器1(21)は、第1方向と第2方向とで、利得媒体4(非線形結晶24)への光11(31)の当たり方が異なり、利得媒体4(非線形結晶24)内の光路長が異なるので、繰り返し周波数の異なる2つのパルスレーザーを出射できる。
 さらに、上記の実施形態では、周波数差調整部13が利得媒体4を保持して利得媒体4の位置を動かすことで、第1ミラー2の焦点及び第2ミラー3の焦点(第1ミラー2及び第2ミラー3間の中心)と利得媒体4の中心のずれを調整し、第1パルスレーザーと第2パルスレーザーの繰り返し周波数の差を調整した場合について説明したが、本発明はこれに限られない。
 例えば、周波数差調整部13は、第1ミラー2又は第2ミラー3を保持して第1ミラー2又は第2ミラー3の位置を第1ミラー2及び第2ミラー3間の周回光路9に沿って動かすことで、利得媒体4の中心と第1ミラー2の焦点及び第2ミラー3の焦点とのずれを調整して、繰り返し周波数の差を調整してもよい。
 また、周波数差調整部13は、レンズ8を保持してレンズ8を励起光10に沿って移動させて、レンズ8の焦点を利得媒体4の中心と異なる位置とすることで、繰り返し周波数の差を調整してもよい。この場合、レンズ8の焦点の位置が利得媒体4の中心からずれることで、利得媒体4で誘導放出された光11と励起光10との利得媒体4内での重なり合いが、第1方向と第2方向で異なるようになる。そうすると、第1方向と第2方向で光11のモードロックのされ方が異なるようになり、利得媒体4への光の当たり方が第1方向と第2方向とで異なるようになる。その結果、利得媒体4内の光路長が第1方向と第2方向とで異なる。よって、周波数差調整部13は、レンズ8を移動させることで、繰り返し周波数の差を調整できる。
 さらに、周波数差調整部13は、第1ミラー2、第2ミラー3、利得媒体4、レンズ8の少なくとも2つ以上を移動させて繰り返し周波数の差を調整してもよい。
 この場合、周波数差調整部13は、第1ミラー2、第2ミラー3、利得媒体4、レンズ8をそれぞれ保持し、これらを別々に移動できる例えばアクチュエータなどの駆動機構で構成される。
(4)レーザー発振器の用途
 本実施形態のレーザー発振器1が出射する第1パルスレーザー及び第2パルスレーザーは、約1GHz程度の超短パルスレーザーである。超短パルスレーザーは、一般に、繰り返し周波数の間隔で縦モードが並んだ離散スペクトル構造、いわゆる光周波数コムを有する。そして、レーザー発振器1は、同様のスペクトルを有する繰り返し周波数の異なる2つのパルスレーザーを発振することができる。よって、レーザー発振器1は、デュアルコム分光装置のレーザー光源として用いることができる。
 図3に示すように、本実施形態のレーザー発振器1を用いる分光装置としてのデュアルコム分光装置40は、レーザー発振器1と、レーザー発振器1から出射された第1パルスレーザー(図3中に示すOutputB)及第2パルスレーザー(図3中に示すOutputA)とを重ね合わせて干渉させる光重合部41と、第1パルスレーザー及び第2パルスレーザーの干渉波を検出する干渉波検出部43と、検出した干渉波をフーリエ変換するフーリエ変換部44を備えている。
 光重合部41は、ビームスプリッタ41aとミラー41bとを備える。ビームスプリッタ41aは第2パルスレーザーの光線上に配置される。ミラー41bは、第1パルスレーザーの光線上に配置され、第1パルスレーザーを反射してビームスプリッタ41aに入射させる。ビームスプリッタ41aとミラー41bとは、第1パルスレーザーと第2パルスレーザーとが干渉するように向きが調整されている。
 本実施形態の場合、ビームスプリッタ41aとしてはプレート型ビームスプリッタ(THORLABS社製、型番:BSW11)を用い、ミラー41bとしては平面鏡を用いた。光重合部41は、第1パルスレーザーと第2パルスレーザーとを干渉できれば、その構成は特に限定されない。
 干渉波検出部43は、光重合部41から出射した第1パルスレーザーと第2パルスレーザーの干渉波の光線上に配置され、干渉波を検出して電気信号に変換する。本実施形態の場合、干渉波検出部43としてはSi高速PIN(RF)増幅フォトディテクタ(MenloSystems社製FPD310-FV)を用いたが、干渉波を検出することができれば特に限定されない。
 フーリエ変換部44は、干渉波検出部43から送出された干渉波の電気信号を受け取り、電気信号に変換された干渉波をフーリエ変換する。フーリエ変換部44は、ローパスフィルタ44aとデジタイザ44bとを備えている。ローパスフィルタ44aは干渉波の電気信号に含まれるノイズなどの高周波成分を除去する。デジタイザ44bは、ローパスフィルタ44aを通過した干渉波の電気信号をデジタル信号に変換する。
 フーリエ変換部44は、図示しない演算部を備えており、デジタル信号を演算部で処理して、干渉波をフーリエ変換する。
 本実施形態の場合、ローパスフィルタ44aとしてはMini-Circuits社製BLP-550+を用い、デジタイザ44bとしてはAlazar Tech社製ATS9440を用い、演算部としてはPC(パーソナルコンピュータ)を用いた。干渉波の電気信号はデジタイザ44bでデジタル化され、データとしてPCの記憶装置に保存される。その後、PCの記憶装置に保存した干渉波のデータをPCで処理して、干渉波をフーリエ変換する。フーリエ変換して得られた干渉波の分光スペクトルのデータは、PCの記憶装置に保存される。
 フーリエ変換部44は、干渉波をフーリエ変換することができれば特に限定されず、本実施形態のようにPCなどを用いて演算によりフーリエ変換してもよく、フーリエ変換処理回路のような専用のハードウェアを用いてフーリエ変換してもよい。
 フーリエ変換部44は、分光スペクトルのデータを表示する表示部(本実施形態の場合、図示しないPCのモニタ)を備え、表示部に分光スペクトルを表示してもよい。さらにフーリエ変換部44は、分光スペクトルのデータを他の機器に送信する送信部を備えていてもよい。
 デュアルコム分光装置40では、測定対象である被検物をレーザー発振器1のアウトプットカプラ6とミラー41bの間に配置し、第1パルスレーザーを被検物に照射する。第1パルスレーザーは、被検物を透過する過程で被検物の吸光特性に応じて周波数特性が変化する。
 その結果、被検物を透過した第1パルスレーザーと第2パルスレーザーとの干渉波の周波数特性も被検物の吸光特性に応じて変化するので、干渉波をフーリエ変換して、干渉波の分光スペクトルを得ることで、被検物の吸光特性を解析できる。
 なお、被検物をアウトプットカプラ6とビームスプリッタ41aの間に配置し、第2パルスレーザーを被検物に照射するようにしても、被検物をビームスプリッタ41aと干渉波検出部43の間に配置し、干渉波を被検物に照射するようにしても、被検物の吸光特性に応じた分光スペクトルを得ることができ、被検物の吸光特性を解析できる。
 従来のデュアルコム分光装置は、2つのレーザー発振器と繰り返し周波数安定化機構を用意する必要があったが、レーザー発振器1を用いることで、レーザー発振器1つと繰り返し周波数安定化機構を除去することができ、装置を簡略化でき、小型化できる。
(5)レーザー発振器のその他の用途
 本実施形態のレーザー発振器1は、上述のような特性を有するので、繰り返し周波数の異なる2つのパルスレーザーを用いることが必要な装置、例えば、非特許文献2に記載されている光コヒーレンストモグラフィ装置、非特許文献3に記載されている非同期光サンプリング装置、非特許文献4に記載されている長距離絶対距離計測装置、非特許文献5に記載されているCWレーザー高速高分解能分光装置などにも用いることができる。レーザー発振器1は、このような繰り返し周波数の異なる2つのパルスレーザーを用いることが必要な装置に用いることで、装置を簡略化でき、小型化できる。
(6)検証試験
(6-1)パルスレーザーのスペクトルについて
 本実施形態のレーザー発振器1から発振される第1パルスレーザーと第2パルスレーザーのスペクトルを分光器(Ocean Photonics社製、製品名:LSM-Mini)を用いて測定した。その結果を図4に示す。
 図4の横軸は各パルスレーザーの波長を表し、縦軸は各パルスレーザーの各波長の強度(任意単位)を表す。図4中のOutputA、OutputBは図1中のOutputA、OutputBとそれぞれ対応しており、図4中の実線は第2パルスレーザーのスペクトルであり、破線は第1パルスレーザーのスペクトルである。
 図4に示すように、第1パルスレーザーのスペクトルと第2レーザーのスペクトルは、ほぼ一致しており、レーザー発振器1が同様のスペクトルを有するレーザーを発振できることがわかる。
(6-2)パルスレーザーの繰り返し周波数について
 レーザー発振器1から発振される第1パルスレーザーと第2パルスレーザーの繰り返し周波数を周波数カウンタ(Tektronix社製、製品名:FCA3003)を用いて測定した。その結果を図5に示す。
 図5Aは、横軸が時間であり、縦軸が繰り返し周波数であり、各パルスレーザーの繰り返し周波数の経時変化を表している。図5Bは、横軸が時間であり、縦軸が繰り返し周波数の差であり、第2パルスレーザーと第1パルスレーザーの繰り返し周波数の差の経時変化を表している。図5中のOutputAとOutputBについては図4と同様である。
 図5Aに示すように、第1パルスレーザーの繰り返し周波数と第2パルスレーザーの繰り返し周波数とが異なることがわかる。また、図5Bに示すように、第1パルスレーザーと第2パルスレーザーの繰り返し周波数の差は、約455Hz±3Hz程度で安定している。このように、レーザー発振器1が繰り返し周波数が異なる2つのパルスレーザーを発振できることがわかる。
 続いて、厚さ5mm程度のアルミニウムで形成された直方体形状の箱を被せることでレーザー発振器1を覆い、同様に繰り返し周波数を測定した。その結果を図6に示す。図6では、繰り返し周波数が第1パルスレーザー及び第2パルスレーザー共に時間に対して単調減少しているが、これは測定中に室温が変化したためである。
 図6の横軸は時間であり、縦軸は繰り返し周波数である。図6Aは、横軸が時間であり、縦軸が繰り返し周波数であり、各パルスレーザーの繰り返し周波数の経時変化を表している。図6Bは、横軸が時間であり、縦軸が繰り返し周波数の差であり、第2パルスレーザーと第1パルスレーザーの繰り返し周波数の差の経時変化を表している。
 図6Aに示すように、第1パルスレーザーと第2パルスレーザーの繰り返し周波数が異なることがわかる。また、図6Bに示すように、第1パルスレーザーと第2パルスレーザーの繰り返し周波数の差が約216.55±0.15Hzと非常に安定していることがわかる。このように、レーザー発振器1を箱で覆うことで、繰り返し数の差がより安定することができることがわかる。よって、レーザー発振器1を箱で覆うことで、繰り返し周波数の差を安定化でき、当該レーザー発振器1を例えばデュアルコム分光装置に用いることで、より精度よく測定できる。
(6-3)2つのパルスレーザーの繰り返し周波数の差について
 周波数差調整部13によって利得媒体4の位置を動かし、その都度レーザー発振器1の2つのパルスレーザーの繰り返し周波数の差を測定した。繰り返し周波数の測定方法は上記と同様である。第2ミラー3及びレンズ8についても同様に位置を動かし、その都度、2つのパルスレーザーの繰り返し周波数の差を測定した。
 まず、図1と同じ構成には同じ符号を付した図7Aに示すように、利得媒体4を第2ミラー3の方向(図7Aに示す矢印Xcrystalの方向)に移動させ、利得媒体4の中心4aの位置を第1ミラー2及び第2ミラー3間の中心からずらし、利得媒体4の位置と2つのパルスレーザーの繰り返し周波数の差の関係を調べた。図7Bはその結果を示している。
 図7Bの横軸は利得媒体4の初期位置からの距離を表し、縦軸は2つのパルスレーザーの繰り返し周波数の差を表す。本試験は、利得媒体4の中心4aと第1ミラー2及び第2ミラー3間の中心がずれた状態を初期位置とした。そのため、初期位置に置いても繰り返し周波数の差が約210Hzである。
 図7Bに示すように、利得媒体4を移動させることでパルスレーザーの繰り返し周波数の差が変化することがわかる。このように、レーザー発振器1は、周波数差調整部13によって利得媒体4を第1ミラー2及び第2ミラー3間の周回光路9に沿って第1方向又は第2方向に動かすことで、第1パルスレーザーと第2パルスレーザーの繰り返し周波数の差を調整できることがわかる。
 次に、図1と同じ構成には同じ符号を付した図8Aに示すように、周波数差調整部13によって第2ミラー3を利得媒体4とは反対の方向(図8Aに示す矢印Xmirrorの方向)に移動させ、第1ミラー2及び第2ミラー3間の中心3aの位置を利得媒体4の中心からずらし、第2ミラー3の位置と2つのパルスレーザーの繰り返し周波数の差の関係を調べた。図8Bはその結果を示している。
 図8Bの横軸は第2ミラー3の初期位置からの距離を表し、縦軸は2つのパルスレーザーの繰り返し周波数の差を表す。本試験は、利得媒体4の中心と第1ミラー2及び第2ミラー3間の中心3aがずれた状態を初期位置とした。そのため、初期位置に置いても繰り返し周波数の差が約120Hzである。
 図8Bに示すように、第2ミラー3の位置が変わると2つのパルスレーザーの繰り返し周波数の差が変化することがわかる。このように、レーザー発振器1は、周波数差調整部13によって第2ミラー3を第1ミラー2及び第2ミラー3間の周回光路9に沿って動かすことで、第1パルスレーザーと第2パルスレーザーの繰り返し周波数の差を調整できることがわかる。
 次に、図1と同じ構成には同じ符号を付した図9Aに示すように、周波数差調整部13によってレンズ8を初期位置から第2ミラーの方向に移動させた後、レンズ8を第1ミラー2とは反対の方向(図9Aに示す矢印Xlensの方向)に移動させ、レンズ8の焦点8aの位置を利得媒体4の中心からずらし、レンズ8の位置と2つのパルスレーザーの繰り返し周波数の差の関係を調べた。図9Bはその結果を示している。
 図9Bの横軸はレンズ8の初期位置からの距離を表し、縦軸は2つのパルスレーザーの繰り返し周波数の差を表す。
 図9Bに示すように、レンズ8の位置が変わると2つのパルスレーザーの繰り返し周波数の差が変化することがわかる。このように、レーザー発振器1は、周波数差調整部13によってレンズ8を励起光10に沿って移動させることで、第1パルスレーザーと第2パルスレーザーの繰り返し周波数の差を調整できることがわかる。
(6-4)デュアルコム分光装置について
 上述のデュアルコム分光装置40を用いて、被検物を設置しない状態で、分光スペクトルを測定した。また、デュアルコム分光装置40に用いたレーザー発振器1のパルスレーザーのスペクトルを上記と同様の方法で測定した。その結果を図10に示す。
 図10の横軸は波長を表し、縦軸は各波長成分の強度(任意単位)を表す。図10中に示すFTはデュアルコム分光装置40で測定した分光スペクトルであり、Spectrometerはレーザー発振器1の第1パルスレーザーのスペクトルと第2レーザーのスペクトルの積の平方根である。図10に示すように、両スペクトルはほぼ一致している。
 被検物を設置しない状態でデュアルコム分光装置40によって分光スペクトルを測定した場合、分光スペクトルはレーザー発振器1から出射されたパルスレーザーのスペクトルと同様になると考えられる。
 従って、デュアルコム分光装置40によって、分光測定が正しく測定できることが確認できた。
 1  レーザー発振器
 2  第1ミラー
 3  第2ミラー
 4  利得媒体
 5  第3ミラー
 6  アウトプットカプラ
 7  励起光源
 8  レンズ
 9  周回光路
 13 周波数差調整部
 40 デュアルコム分光装置
 41 光重合部
 43 干渉波検出部
 44 フーリエ変換部

Claims (15)

  1.  第1ミラーと、前記第1ミラーと対向配置された第2ミラーと、前記第1ミラー及び前記第2ミラー間に配置された非線形結晶とを含み、励起光源によって誘導放出された光が、前記第1ミラー、前記非線形結晶、前記第2ミラーの順の第1方向及び前記第2ミラー、前記非線形結晶、前記第1ミラーの順の第2方向に周回する周回光路を備え、
     前記非線形結晶内の光路長が前記第1方向と前記第2方向とで異なり、
     前記光が前記第1方向に前記周回光路を周回してモードロックされた第1パルスレーザーと、
     前記光が前記第2方向に前記周回光路を周回してモードロックされ、繰り返し周波数が前記第1パルスレーザーと異なる第2パルスレーザーとを出射する
     ことを特徴とするレーザー発振器。
  2.  前記非線形結晶内の光路長が前記第1方向と前記第2方向とで異なることは、
     前記非線形結晶の中心が前記第1ミラーの焦点及び前記第2ミラーの焦点と異なる位置になるように、前記非線形結晶が配置されていることである
     ことを特徴とする請求項1に記載のレーザー発振器。
  3.  前記非線形結晶の中心と前記第1ミラーの焦点及び前記第2ミラーの焦点とが異なる位置にあることは、
     前記非線形結晶の中心が前記第1ミラー及び前記第2ミラー間の中心と異なる位置になるように、前記非線形結晶が配置されていることである
     ことを特徴とする請求項2に記載のレーザー発振器。
  4.  前記第1ミラー、前記第2ミラー、及び前記非線形結晶の少なくとも1つの位置を動かすことで、前記第1パルスレーザーの繰り返し周波数と前記第2パルスレーザーの繰り返し周波数の差を調整する周波数差調整部を備える
     ことを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載のレーザー発振器。
  5.  前記周回光路は、前記励起光源によって励起されて前記光を誘導放出する利得媒体と前記非線形結晶とを含む
     ことを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載のレーザー発振器。
  6.  前記励起光源の励起光を集光して前記非線形結晶に照射するレンズを備え、
     前記非線形結晶内の光路長が前記第1方向と前記第2方向とで異なることは、
     前記レンズの焦点が前記非線形結晶の中心と前記第1ミラーの焦点及び前記第2ミラーの焦点と前記非線形結晶の中心との少なくとも1つと異なる位置になるように、前記レンズが配置されていることである
     ことを特徴する請求項1に記載のレーザー発振器。
  7.  前記レンズの位置を動かすことで、前記第1パルスレーザーの繰り返し周波数と前記第2パルスレーザーの繰り返し周波数との差を調整する周波数差調整部を備える、
     ことを特徴とする請求項6に記載のレーザー発振器。
  8.  前記第1パルスレーザーと前記第2パルスレーザーの繰り返し周波数の差が、0kHzより大きく10kHz以下である
     ことを特徴とする請求項1~7のいずれか1項に記載のレーザー発振器。
  9.  請求項1~8のいずれか1項に記載のレーザー発振器と、
     前記レーザー発振器から出射された前記第1パルスレーザー及び前記第2パルスレーザーを重ね合わせる光重合手段と、
     前記第1パルスレーザー及び前記第2パルスレーザーを前記光重合手段によって重ね合わせた干渉波を検出する干渉波検出手段と、
     検出した前記干渉波をフーリエ変換するフーリエ変換手段と
     を備えることを特徴とする分光装置。
  10.  前記干渉波が被検物に照射され、
     前記干渉波検出手段が、前記被検物を透過した前記干渉波を検出する
     ことを特徴とする請求項9に記載の分光装置。
  11.  前記第1パルスレーザー又は前記第2パルスレーザーが被検物に照射され、
     前記光重合手段が、前記被検物を透過した前記第1パルスレーザー又は前記第2パルスレーザーと、前記第2パルスレーザー又は前記第1パルスレーザーとを重ね合わせる
     ことを特徴とする請求項9に記載の分光装置。
  12.  請求項1~8のいずれか1項に記載のレーザー発振器を備えることを特徴とする光コヒーレンストモグラフィ装置。
  13.  請求項1~8のいずれか1項に記載のレーザー発振器を備えることを特徴とする非同期光サンプリング装置。
  14.  請求項1~8のいずれか1項に記載のレーザー発振器を備えることを特徴とする長距離絶対距離計測装置。
  15.  請求項1~8のいずれか1項に記載のレーザー発振器を備えることを特徴とするCWレーザー高速高分解能分光装置。
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