(57)【要約】      （修正有）【課題】マイクロマテリアル加工に対して非常に簡易な構成で使用することが可能な受動Ｑスイッチ型固体レーザを提供する。【解決手段】受動Ｑスイッチ型固体レーザは、活性レーザ媒質２及びレーザパルスを分離する分離エンドミラー６を有する共振器１と、分離エンドミラーから分離されたレーザパルスを導入する光ファイバ１３と、パルス幅を短縮させるためにレーザパルスを反射するチャープボリュームブラッググレーティング素子１７と、を備える。活性レーザ媒質はＮｄ：ＹＡＧであり、Ｃｒ：ＹＡＧから形成され、非飽和状態における透過率が５０％未満の可飽和吸収体３が共振器内に配設されている。共振器の長さａは１ｍｍから１０ｍｍである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性レーザ媒質及び１ｎｓ未満のパルス幅を有するレーザパルスを分離するように構成された分離エンドミラーを有する共振器と、
前記分離エンドミラーから分離された前記レーザパルスと結合するように構成された光ファイバと、
前記レーザパルスが前記光ファイバを通過した後に、前記パルス幅を短縮させるために前記レーザパルスを反射するように構成され、反射後のパルス幅が３０ｐｓ未満となるように構成されたチャープボリュームブラッググレーティング素子と、を備え、
前記共振器内の前記活性レーザ媒質がＮｄ：ＹＡＧであり、Ｃｒ：ＹＡＧから形成され、非飽和状態における透過率が５０％未満の可飽和吸収体が前記共振器内に配設され、
前記共振器の長さが１ｍｍから１０ｍｍの範囲に含まれ、前記共振器の前記分離エンドミラーにおいて分離された前記レーザパルスが１μＪから２００μＪのパルスエネルギーを有することを特徴とする、受動Ｑスイッチ型固体レーザ。
【請求項２】
前記光ファイバは、１０μｍ超のコア径を有することを特徴とする、請求項１に記載の固体レーザ。
【請求項３】
前記光ファイバは、分極保持ファイバであることを特徴とする、請求項２に記載の固体レーザ。
【請求項４】
前記光ファイバの長さが、０．５ｍから５ｍであることを特徴とする、請求項１に記載の固体レーザ。
【請求項５】
互いに対向する前記活性レーザ媒質及び前記可飽和吸収体の側面がレーザ光の軸に対してブルースター角をなし、前記レーザ光の前記軸の直角方向から同じ方向に傾斜していることを特徴とする、請求項１に記載の固体レーザ。
【請求項６】
前記チャープボリュームブラッググレーティング素子における入射角及び出射角が０°であることを特徴とする、請求項１に記載の固体レーザ。
【請求項７】
さらに、１／４波長板及び偏光子を備え、前記チャープボリュームブラッググレーティング素子において反射された後の前記レーザ光の分離は前記偏光子で行い、前記１／４波長板は前記チャープボリュームブラッググレーティング素子と前記偏光子との間に配設したことを特徴とする、請求項６に記載の固体レーザ。
【請求項８】
さらに、前記共振器の、前記分離エンドミラーと反対側のエンドミラーを介して前記活性レーザ媒質をポンピングするように構成されたレーザダイオードを備えることを特徴とする、請求項１に記載の固体レーザ。
【請求項９】
前記活性レーザ媒質のポンピングは連続的に行うことを特徴とする、請求項８に記載の固体レーザ。
【請求項１０】
少なくとも本質的に単一縦モードのみの振動蓄積が前記共振器内で生じていることを特徴とする、請求項１に記載の固体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
２０１９年１月３１日に出願されたオーストリア特許出願Ｎｏ．Ａ３８／２０１９は、参照として本願に組み込まれるものである。
【０００２】
本願は、活性レーザ媒質が配設され、１ｎｓ未満のパルス幅を有するレーザパルスを分離する分離エンドミラーを備える共振器と、当該分離エンドミラーから分離されたレーザパルスを導入する光ファイバと、パルス幅を短縮するために光ファイバを通過したレーザパルスを反射させるためのチャープボリュームブラッググレーティング素子とを備え、当該チャープボリュームブラッググレーティング素子で反射された後のパルス幅が３０ｐｓ未満である受動Ｑスイッチ型固体レーザに関するものである。
【背景技術】
【０００３】
受動Ｑスイッチ型固体レーザは、種々の技術分野において用いられている。ベースとして受動Ｑスイッチ型固体レーザを有するＵＶレーザが、例えば「“パームトップサイズメガワットパワー紫外線マイクロレーザ”Ｂｈａｎｄａｒｉ  Ｒ．及びＴａｉｒａ  Ｔ、Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｎｅｒｉｎｇ，Ｊｕｌｙ  ２０１３／Ｖｏｌ．５２（７），０７６１０２-１−０７６１０２-６」に開示されている。ＵＶレーザを形成するためには、共振器から分離したレーザパルスを三ホウ酸リチウムで波長変換する。Ｎｄ：ＹＡＧが共振器における活性レーザ媒質として使用され、Ｃｒ：ＹＡＧの形態のドープされた固体材料から形成された吸収体が受動Ｑスイッチとして使用される。共振器の長さが１０ｍｍの場合、自由スペクトル領域、つまり、可能な隣接縦モードの波長間の距離は非常に大きいため、縦モードの１つだけが１０６４ｎｍの増幅最大値に近くなり、これによって振動の蓄積が達成される。このレーザの場合、波長変換前の状態において、３ｍＪの高パルスエネルギーが、２３０ｐｓのパルス幅及び１００Ｈｚの相対的に低い繰返率で得られる。共振器の設計はこのような特性が光学的に安定して得られる（安定型共振器）ように行う。共振器は、マイクロチップレーザの形態において一体式の構造を有することができ、この場合、２つのエンドミラーは平坦であり、収束効果を有する熱レンズは、活性レーザ媒質の動作中に形成される。
【０００４】
単一縦モードで動作し、一方、数十ｎＪの範囲で数桁小さいパルスエネルギーを有する受動Ｑスイッチ型固体レーザが、例えば国際公開公報２０１６／００４４４６号において、活性レーザ媒質としてＮｄ：ＹＶＯ４を用いた非常に小さい一体型のマイクロチップレーザとして知られている。
【０００５】
「“高エネルギーサブナノセコンド直線偏向受動Ｑスイッチ型ＭＯＰＡレーザシステム”Ｌｅｅ  Ｈ．Ｃ．ｅｔ  ａｌ．，Ｏｐｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ９５（２０１７）８１−８５には、安定型共振器を有する受動Ｑスイッチ型Ｎｄ：ＹＡＧ／Ｃｒ：ＹＡＧレーザが開示されている。その出力パルスは約２．５ｍＪであり、そのパルス幅は５５０ｐｓに増幅されている。活性レーザ媒質及び吸収体は、互いに対向した側面がブルースター角をなすように配置されている。
【０００６】
レーザ照射の主要な用途は、金属及び半導体の微細な加工技術に関するものである。パルス幅が熱緩和時間に比較して短いと、格子のフォノン系への移行前に材料が蒸発する。したがって、そのような材料加工は“コールド（ｃｏｌｄ）”と呼ばれる。レーザパルスのパルス幅は通常１ｐｓから２０ｐｓの範囲である必要がある。パルスエネルギーは、μＪの範囲にまで達する必要がある。パルス繰返率は、典型的には数ｋＨｚから数ＭＨｚの範囲であるが調整可能である。
【０００７】
医療用途においても、要求される仕様はこのような範囲のものである。
【０００８】
これらの仕様を満足する公知かつ商用のレーザは、再生増幅器と結合したモード結合レーザである。これらのレーザシステムの欠点は、高価であるとともにシステムが大型であるという点である。
【０００９】
さらなる開発の末、上記仕様を満足する異なるレーザシステムに辿り着いた。しかしながら、これらのシステムは、以前は工業的用途においては十分に確立されていなかった。このため、短いパルス幅であって十分に増幅されたパルスエネルギーを得るべく、ベースとして非常に短い共振器を有する受動Ｑスイッチ型マイクロレーザを用いることが提案されている。受動Ｑスイッチングの場合、共振器の長さをほとんど延長しない半導体可飽和ミラーを使用できる。ここで、パルス幅は２０ｐｓ未満にまで短くすることができる（“１ＭＨｚの繰返率で受動Ｑスイッチ型マイクロチップレーザから得られるサブ２０ｐｓパルス”、Ｍｅｈｎｅｒ  Ｅ．ｅｔ  ａｌ．，ＯＰＴＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ、Ｖｏｌ．３９，ＮＯ．１０，ＭＡＹ  １５，２０１４，２９４０−２９４３）。
【００１０】
しかしながら、マイクロチップレーザによって２０ｐｓ未満のパルス幅を得ることは困難であり、限界がある。したがって、増幅前にマイクロチップレーザから出力されたレーザパルスを圧縮する改良案が提案されている。「“０．２から１．４ＭＨｚで３．３ｐｓのパルスを有し、マイクロジュールレベルへのシングルステージ増幅性を有する単一のマイクロチップＮｄ：ＹＶＯ４レーザ”、Ｔu（ウムラウト）ｒｋｙｉｌｍａｚ  Ｅ  ｅｔ  ａｌ．，Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，  Ｊｕｎｅ  ２０１６／Ｖｏｌ．５５（６），０６６１２６-１−０６６１２６-６」には、上述した型のレーザが開示されている。このレーザは、活性レーザ媒質としてＮｄ：ＹＶＯ４を有し、Ｑスイッチングとして半導体可飽和ミラーを有するマイクロチップレーザに基づいている。マイクロチップレーザの出力パルスを圧縮するために、最初に、５０ｍの長さの光ファイバ中にレーザパルスを通すことによって、スペクトル拡幅を行う。その後、チャープボリュームブラッググレーティング素子（ＣＶＢＧ）で反射させ、パルス幅の短縮を行う。圧縮されたパルスは光学的に増幅され、十分なパルスエネルギーを有するようになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、マイクロマテリアル加工に対して非常に簡易な構成で使用することが可能な上記のような受動Ｑスイッチ型固体レーザを提供することを目的とする。これは、本発明の１以上の特徴を有するレーザによって達成される。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の固体レーザは、パルス幅を短縮するために出力パルスが圧縮され、活性レーザ媒質としてＮｄ：ＹＡＧを有し、共振器内に、非飽和状態において、５０％未満、好ましくは３０％未満の透過率の可飽和吸収体としてＣｒ：ＹＡＧを有する。共振器の長さは１ｍｍから１０ｍｍであり、好ましくは２ｍｍから６ｍｍである。分離エンドミラーで分離され、その後圧縮されたレーザパルスは、１μＪから２００μＪ、好ましくは１０μＪから１００μＪのパルスエネルギーを有する。
【００１３】
本発明のレーザは、高パルスエネルギーを有するように圧縮され、パルス幅が圧縮されたレーザパルスは、別途増幅などを行うことなく、マイクロマテリアルの加工に対して直接的に使用できるという利点を有する。これにより、特別に簡易で小型なシステムを提供することができる。
【００１４】
分離エンドミラーで分離されたレーザパルスのパルス幅は、１ｎｓ未満であり、好ましくは５００ｐｓ未満である。これらのレーザパルスは、最初、光ファイバ中に導入される。スペクトル拡幅のために、光ファイバの長さは、好ましくは０．５ｍから５ｍ、有利には１ｍから３ｍの範囲とする。光ファイバのコア径は、好ましくは１０μｍ超、３０μｍ未満とする。好ましくは、光ファイバのコア径は１５μｍから２０μｍの範囲とする。そのような光ファイバは、広モード域（ＬＭＡ）ファイバとして知られている。これらは、特に分極保持ファイバ（ＰＭファイバ）とすることができる。
【００１５】
光ファイバを通過した後、レーザパルスは、チャープボリュームブラッググレーティング素子（ＣＶＢＧ）に送られ、当該グレーティング素子で反射されることによって、スペクトル拡幅されたレーザパルスのパルス幅の短縮が図られる。出力時のレーザパルスのパルス幅は３０ｐｓ未満であり、好ましくは２０ｐｓ未満である。出力時のレーザパルスのパルスエネルギーは、好ましくは１μＪ超である。１０μＪ超のパルスエネルギーも可能である。
【００１６】
本願において“パルス幅”という場合は、パルスの半値幅（ＦＤＨＭ）として測定されたものである。
【００１７】
共振器は一体型構造とすることができる。分離されたパルスを光ファイバ中に導入するレーザユニットは、マイクロチップレーザとして構成できる。
【００１８】
活性レーザ媒質の励起は、有利には共振器のエンドミラーの１つによって、レーザダイオードを用いることにより、特に連続的に行うことができる。ポンプ光出力は、好ましくは１−１０Ｗの範囲である。ポンプ光は、好ましくは活性レーザ媒質に対して２００μｍ未満の径で収束させる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る概略図である。
【図２】本発明の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明のその他の利点及び詳細について図面を参照しながら説明する。
【００２１】
レーザは、活性レーザ媒質２としてＮｄ：ＹＡＧを配設した共振器１を有する。共振器１内には、可飽和吸収体としてＣｒ：ＹＡＧ、より正確にはＣｒ４＋：ＹＡＧが配設されている。共振器１はエンドミラー４を有しており、当該ミラー内に破線で示すポンプ光５が出力される。エンドミラー４は、共振器１におけるレーザモードに対して高い反射性を示すとともに、ポンプ光に対しては高い透過性を示す。
【００２２】
エンドミラー４と反対側において、共振器１は分離エンドミラー６を有する。これはレーザ光７を分離するために用いる。したがって、分離エンドミラー６は、共振器１のレーザモードに対して部分的に反射性を有する。
【００２３】
共振器１は線形共振器（定在波共振器）である。共振器１の長さ（エンドミラーからエンドミラーまでの幾何学的あるいは構造学的長さ）は、１ｍｍから１０ｍｍの範囲であり、好ましくは２ｍｍから６ｍｍの範囲である。
【００２４】
本実施形態は、光学的に安定な共振器であり、このような形態が好ましい。
【００２５】
共振器１は、レーザ放射の縦モードが１０６４ｎｍの活性レーザ媒質２の増幅最大値になるように、その長さａによって調整される。共振器１が短縮されると、その自由スペクトル領域が大きくなって、隣接する縦モードが増幅最大値から大きく外れ、本質的に振動蓄積を生じず（すなわち、それらのエネルギーは基本モードの１０％未満である）、特に全く振動蓄積を生じない（レーザ閾値を超えない）。したがって、動作中、レーザは少なくとも本質的に単なる単一縦モードである。有利には、動作中、レーザは少なくとも本質的に単一横モードである。
【００２６】
可飽和吸収体３は、レーザに対する受動Ｑスイッチを構成する。可飽和吸収体３の透過率は、非飽和状態では５０％未満であり、好ましくは３０％未満であり、例えば１０％の範囲とすることができる。
【００２７】
非飽和状態における可飽和吸収体３の高い吸収性に関連した共振器１の短さのために、好ましくは５００ｐｓ未満の短パルス幅のレーザパルスが生成される。
【００２８】
本実施形態において、活性レーザ媒質２及び吸収体３はそれぞれ切断され、いわゆる“フラットブルースター”と呼ばれる形態に研磨される。活性レーザ媒質２及び吸収体３は、互いに対向している面が、レーザ光７の軸８に関してブルースター角をなすように位置し、これらの対向面は少なくとも本質的に平行であるとともに、反対側の面はレーザ光の軸８に対して直角である。この平面は好ましくはレーザ光の波長（選択的には、ポンプ光の波長にも）応じた反射防止膜で被覆する。ブルースター表面は必ずしも被覆する必要はない。２つのブルースター面はｐ偏光を透過させ、ｓ偏光を透過させない。このように、共振器１はｐ偏光で動作し、ｓ偏光は少なくとも本質的に振動蓄積を生ぜしめず（すなわち、エネルギーは、ｐ偏光の基本モードの１０％未満、好ましくは１％未満）、特には全く振動蓄積を生ぜしめない（レーザ閾値を超えない）。
【００２９】
ｓ偏光のエタロン効果を避けるために、２つのブルースター面の距離を正確に選択し、活性レーザ媒質２の増幅最大値に近い任意のｓ偏光モードの波長において、当該ｓ偏光の透過率が高くならないようにする。あるいは若しくは付加的に、ブルースター面を相互に傾斜させることができる。
【００３０】
吸収は、吸収体３をレーザ光７の軸８に垂直な状態から変位させることによって、吸収体３を“フラットブルースター”の形態から変位させることができる。
【００３１】
一方、共振器１は一体型構造とすることができる。
【００３２】
レーザのポピングに対しては、レーザダイオード９を用いる。ポンプ光出力は、好ましくは１−１０Ｗの範囲であり、例えば約５Ｗである。ポンプ光は例えば８０８ｎｍの波長を有する。ポンプ光は、本実施形態では、活性レーザ媒質上に２００μｍ未満の径で収束させる。
【００３３】
好ましくは、ポンピングは連続して行う。
【００３４】
例えば、光ガイド１０から出力されたポンプ光はレンズ１１によってコリメートされ、エンドミラー４によって活性レーザ媒質２に照射される。
【００３５】
レーザパルスによって形成され、かつ分離エンドミラー６で分離されたレーザ光７は、少なくとも１つのレンズ１２によって光ファイバ１３、特にはガラスファイバ中に導入される。光ファイバ１３中のレーザ光の高い強度に起因して、各レーザパルスの波長スペクトルは、自己位相変調（ＳＰＭ）によって拡幅される。これによって、種々のスペクトル成分の空間的な広がりを生ぜしめることができる。光ファイバ１３の長さは、好ましくは０．５ｍから５ｍであり、有利には１ｍから３ｍであり、例えば２ｍである。特に、光ファイバ１３は、広モード域ファイバ（ＬＭＡファイバ）である。コア径は、例えば１５μｍから２０μｍとすることができる。
【００３６】
理想的には、光ファイバの基本モードを励起する。
【００３７】
後方反射を防止すべく、好ましくは光ファイバ１３の入射面を劈開して、その角度が、例えばレーザ光の軸に垂直な方向に対して８°の角度をなすようにする。
【００３８】
光ファイバから分離されたレーザ光は、少なくとも１つのレンズ１４でコリメートされ、偏光子１５及び１／４波長板１６を通過した後、チャープボリュームブラッググレーティング素子１７で反射される。ここで、各レーザパルスのパルス幅が短縮される。反射されたレーザ光は、順に１／４波長板１６を通過した後、偏光方向が、最初に偏光子を通過したときから９０°回転しているので、偏光子１５で反射される。
【００３９】
新たに形成されたレーザ光のパルスは、３０ｐｓ未満のパルス幅を有し、好ましくは２０ｐｓ未満のパルス幅を有する。上記パルスのパルスエネルギーは、好ましくは１μＪ超であり、マイクロマテリアルの加工に対して上記新たなレーザ光を用いるために、下流側での増幅を行う必要はない。
【００４０】
パルス繰返率は、好ましくは１ｋＨｚから１００ｋＨｚの範囲である。
【００４１】
本実施形態では、レーザ光は、チャープボリュームブラッググレーティング素子１７に直角に入射するので、入射角及び出射角は０°である。０°以外の角度で入射させることも可能である。このとき、反射レーザ光は、入射レーザ光の反射によって局所的に分離される。偏光子１５及び１／４波長板１６は、そのような構成の場合は除去する。
【００４２】
次に、変形例を図２に示す。第１実施形態との相違点は、活性レーザ媒質２及び可飽和吸収体３に対してブルースター角が適用されないことである。したがって、レーザ光の偏光選択は異なる態様で行う。このために、例えば、共振器の一部はグレーティング構造を有し、異なる偏光方向に対して異なる透過率を有するようにすることができる。例えば、エンドミラー４，６の一方に、そのようなグレーティング構造を有する被膜を形成することができる。活性レーザ媒質２及び可飽和吸収体３の結晶配向性の選択、及び／又は活性レーザ媒質２及び／又は可飽和吸収体３への機械的な圧力負荷を通じても、上述のような偏光選択を行うことができる。偏光選択を省略することも想到可能である。チャープボリュームブラッググレーティング素子１７での反射の後、レーザ光の分離は偏光子によって異なる態様で行うことができる。例えば、チャープボリュームブラッググレーティング素子１７に対するレーザ光の入射角度を０°以外の角度として行うことができる。
【符号の説明】
【００４３】
１  共振器
２  活性レーザ媒質
３  可飽和吸収体
４  エンドミラー
５  ポンプ光
６  分離エンドミラー
７  レーザ光
８  軸
９  レーザダイオード
１０  光ガイド
１１  レンズ
１２  レンズ
１３  光ファイバ
１４  レンズ
１５  偏光子
１６  １／４波長板
１７  チャープボリュームブラッググレーティング素子
【図１】
2020127000.tif 000003
【図２】
2020127000.tif 000004