(57)【要約】【課題】超短パルスを出力するモード同期レーザ装置であって放熱性が高く且つ安定した構造のモード同期レーザ装置を提供することを目的とする。【解決手段】モード同期レーザ装置１０は、ＳＥＳＡＭ（半導体可飽和吸収ミラー）１４及び共振器内の群速度分散を制御するための負分散ミラー２０を含む共振器と、共振器内に配置され、励起光が入射されることにより発振光を出力する固体レーザ媒質１６と、励起光を固体レーザ媒質１６に入射させる励起光学系１２と、ＳＥＡＳＡＭ１４及び固体レーザ媒質１６との間に挟まれると共にＳＥＡＳＡＭ１４及び固体レーザ媒質１６を支持する第１の支持体３５Ｂと、第１の支持体３５Ｂから共振器軸方向に沿って突出した第２の支持体３５Ｃと、が一体形成された共振器ホルダー３４と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体可飽和吸収ミラー及び共振器内の群速度分散を制御するための負分散ミラーを含む共振器と、
前記共振器内に配置され、励起光が入射されることにより発振光を出力する固体レーザ媒質と、
前記励起光を前記固体レーザ媒質に入射させる励起手段と、
前記半導体可飽和吸収ミラー及び前記固体レーザ媒質との間に挟まれると共に前記半導体可飽和吸収ミラー及び前記固体レーザ媒質を支持する第１の支持体と、前記第１の支持体から前記第１の支持体と交差する方向に沿って突出した第２の支持体と、が一体形成された共振器ホルダーと、
を備えたモード同期レーザ装置。
【請求項２】
前記半導体可飽和吸収ミラーの光入射面が前記第１の支持体の一方の面に取り付けられた
請求項１記載のモード同期レーザ装置。
【請求項３】
前記第１の支持体の前記第１の支持体と交差する方向における長さが、レーリー長の半分以下である
請求項１又は請求項２記載のモード同期レーザ装置。
【請求項４】
前記第２の支持体の前記第１の支持体と交差する方向における長さが、前記第１の支持体の前記第１の支持体と交差する方向における長さの２倍以上である
請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のモード同期レーザ装置。
【請求項５】
前記共振器ホルダーに、前記負分散ミラーが取り付けられた
請求項１〜請求項４の何れか１項に記載のモード同期レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モード同期レーザ装置に係り、特に、超短パルス光を出力するモード同期レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体レーザ（ＬＤ）を励起光源とし、希土類イオン（あるいは遷移金属イオン）を添加した固体レーザが活発に開発されている。中でも、フェムト秒領域のいわゆる超短パルス光を発生する超短パルスレーザは、医療、バイオ、機械産業、計測など、多岐にわたる応用分野が模索、提案され、実証を経て、一部実用化されている。
【０００３】
この超短パルスレーザは、モード同期と呼ばれる動作により超短パルスを発生している。モード同期は、簡単に言えば、レーザ発振の際、周波数領域で見ると多数の縦モードの位相が全て同期しており（相対位相差＝０）、このため、縦モード間のマルチモード干渉により、時間領域では極めて短いパルスとなる現象である。
【０００４】
一般に、レーザ共振器を構成するミラーの一つに半導体可飽和吸収ミラー（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｓａｔｕｒａｂｌｅ  Ａｂｓｏｒｂｉｎｇ  Ｍｉｒｒｏｒ：ＳＥＳＡＭ）を用い、そのＳＥＳＡＭにおけるパルス急峻化の効果によりモード同期動作させることが行われている。さらに、フェムト秒領域では、パルスの持つスペクトル帯域が広いため、共振器内の光学材料（レーザ結晶、共振器ミラー等）を通過する際に被る正の群速度分散を補償することが必要である。
【０００５】
ＳＥＳＡＭを共振器ミラーとして配置しモード同期を始動させ、共振器内を周回する光パルスによる自己位相変調効果と群速度分散の補償を共振器内で行うことで、フェムト秒領域のパルスを得る方法を特にソリトンモード同期と言う。この手法が、自己開始可能で、他の手法（Ｋｅｒｒレンズモード同期等）に比べアライメントずれに強い優れた実用手法として、広く採用されてきている。
【０００６】
ソリトンモード同期に限らず広くモード同期レーザでは、従来、繰り返し周波数は８０ＭＨｚに相当する共振器長２ｍクラスの大型のものが報告されてきた（例えば特許文献１参照）。
【０００７】
繰り返し周波数ＰＲＦは、光速をＣ、共振器長をＬｃａｖとした場合にＰＲＦ＝Ｃ／２Ｌｃａｖで表わされ、Ｌｃａｖが２ｍの場合、ＰＲＦは７５ＭＨｚに相当する。大型の超短パルスレーザは、適度な繰返し周波数（５０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ）と比較的高いピークパワー（１００ｋＷ〜１ＭＷ）を提供可能である。その反面、共振器の折り返しのためのミラー等が必要な上に共振器構造が複雑であるため、部品点数の増大、製造コストアップなど高コストになりがちである。さらに、大型なレーザでは一般的に出力の安定度が低いことが懸念される。これは、大型化すればするほど、共振器ミラーの僅かな機械的変動（位置ずれ）が、大きなビーム位置変動、ひいては出力変動を来すためである。通常の超短パルスレーザは、定期的なミラーアライメントが前提の運用がなされており、例えば、毎日の運用時にミラーの最適調整が必要である。
【０００８】
従って、レーザを小型に実装することで、低コストで高安定な超短パルスレーザが期待されている。小型化することにより、部品点数の削減により部品コストを下げ、かつ、共振器長や共振器ミラーの位置変動による出力変動を最小に抑制することが出来る。具体的には、共振器長がおよそ１５０ｍｍ以下、望ましくは７５ｍｍ以下であれば、後述の一体型共振器構造を採用でき、安定度を高めることが出来る。
【０００９】
共振器の構成としては、直線型の構造を取ることで、折り返しのための光学部品を省くことができ、部品点数を最小に出来る。例えば特許文献１には、このような構造の固体レーザが開示されている。これは、共振器を一体型成形された金属ホルダーとし、その両端面にミラー取り付け面を設置し、レーザ結晶および共振器出力鏡を、体積収縮率１％以下の接着剤で極めて薄い層（２μｍ以下）で接着固定することで、光学的な共振器を構成するものである。こうすることで、小型で極めて安定な出力特性を実現している。接着面は鏡面研磨され、接着層の層厚は厳密に制御されている。特許文献１によれば、共振器長の変化は、一般空調下で５０００ｈ駆動後、０．０２μｍであった。
【００１０】
一方、直線型で小型の超短パルスレーザが特許文献２〜４に開示されている。それぞれ、モード同期に必要な半導体可飽和吸収ミラー（ＳＥＳＡＭ）を共振器ミラーの一端として備えている。ＳＥＳＡＭとレーザ結晶を近接あるいは密着させ、ＳＥＳＡＭ上に共振器ウエストを持たせることで、ＳＥＳＡＭとレーザ結晶の双方に別々に共振器スポットを形成する従来の場合に比べ、直線型で小型化が可能である。
【００１１】
特許文献２記載の超短パルスレーザにおいては、高い繰り返し周波数、具体的には１ＧＨｚ以上の繰返し周波数のモード同期レーザを実現する構成となっている。この発明の目的は高い繰り返し周波数を実現することであるが、１ＧＨｚは共振器長で１５ｃｍに相当するので、１５ｃｍ以下の共振器長の小型で且つ高繰り返し周波数の超短パルスレーザを実現することと同等となる。特許文献２には、レーザ媒質の誘導放出断面積（＞０．８×１０−１８ｃｍ２）、ＳＥＳＡＭの吸収深さΔＲ（＜０．５％）等が規定されている。
【００１２】
また、特許文献２には、レーザ結晶の前側端面に施された曲率ミラーを出力鏡とし、レーザ結晶のリア側に配置されたＳＥＳＡＭから成る直線型レーザ共振器の構成が開示されている。また、ＳＥＳＡＭとレーザ結晶の間でエタロン干渉を起こすことで、Ｇｉｒｅｓ−Ｔｏｕｒｎｏｉｓ干渉計（ＧＴＩ干渉）による負分散を生じさせ、分散補償とする構成が開示されている。
【００１３】
また、特許文献３には、超短パルスレーザを高繰り返し周波数で動作させる目的の小型の超短パルスレーザが開示されている。具体的には、レーザ結晶のリア側端面にコーティングされた可飽和吸収体と、曲面チャープミラー（負分散ミラー）とで構成される直線型モード同期レーザが開示されている。
【００１４】
また、特許文献４には、負分散ミラーとレーザ結晶に近接して配置されたＳＥＳＡＭにより構成された直線型レーザ共振器を備えた極めてコンパクトな超短パルスレーザが開示されている。ＳＥＳＡＭ、負分散出力鏡、及びレーザ結晶を分離して配置することで、設計の自由度、熱的な干渉、共振器長の自由度があり、好適な構造と言える。
【特許文献１】特許第３３７８１０３号公報（第１図）
【特許文献２】米国特許第７１０６７６４号明細書（第１５図）
【特許文献３】特開平１１−１６８２５２号公報（第３図）
【特許文献４】特開２００８−２８３７９号公報（第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、特許文献１記載の発明は、一体型共振器構造を半導体レーザ励起固体レーザへ適用することを主眼としている。さらに詳しく言えば、連続動作であって、共振器内部に非線形光学結晶が配置された内部共振器型第２高調波レーザを小型・高安定・低コストに実現することを主目的としている。従って、超短パルスレーザへ適用した場合にどのようにすれば小型、低コスト、及び高安定動作が可能な超短パルスレーザが得られるのか等については特許文献１には記載されていない。
【００１６】
また、特許文献２に記載された超短パルスレーザは、レーザ共振器がレーザ結晶とＳＥＳＡＭが接合された準モノリシック構造であり、レーザ結晶、ＳＥＳＡＭなどを配置する共振器ホルダーについて何ら記述が無く、どのような構造にすれば小型、低コスト、及び高安定動作が可能な超短パルスレーザが得られるのか等については特許文献２には記載されていない。また、本構造は、実際に繰り返し周波数１０ＧＨｚ程度で駆動させることを想定した場合（共振器長１．５ｃｍのモノリシック構造）に好適であり、逆に、１ＧＨｚ（共振器長１５ｃｍ）〜５ＧＨｚ（共振器長５ｃｍ）程度の場合、モノリシック構造の実現は難しく、適用が困難である。
【００１７】
また、特許文献３に記載された超短パルスレーザでは、曲面チャープミラーとレーザ結晶は空間的に離隔しているが、特許文献３にはそれらを支持する共振器ホルダーに関する記述は無く、どのような構造にすれば小型、低コスト、及び高安定動作が可能な超短パルスレーザが得られるのか等については記載されていない。
【００１８】
また、特許文献４も、共振器を構成する光学部品を離間して配置するための共振器ホルダーについての記述は無く、どのような構造にすれば小型、低コスト、及び高安定動作が可能な超短パルスレーザが得られるのか等については記載されていない。
【００１９】
このように、超短パルスレーザに関する発明が開示された特許文献２〜４には、共振器ホルダーの構成や構造についての開示は無く、具体的にどのように実装すれば、小型・低コストで安定な超短パルスレーザが実現できるかは開示されていない。また、共振器の構造規定、共振器長の温度制御など、安定性に関しては考慮されていない。
【００２０】
さらに、ＳＥＳＡＭや固体レーザ媒質で発生する熱を効率良く放熱することが可能で且つ剛性が高く安定した構造の超短パルスレーザは未だ提案されていない。
【００２１】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、超短パルスを出力するモード同期レーザ装置であって放熱性が高く且つ安定した構造のモード同期レーザ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、半導体可飽和吸収ミラー及び共振器内の群速度分散を制御するための負分散ミラーを含む共振器と、前記共振器内に配置され、励起光が入射されることにより発振光を出力する固体レーザ媒質と、前記励起光を前記固体レーザ媒質に入射させる励起手段と、前記半導体可飽和吸収ミラー及び前記固体レーザ媒質との間に挟まれると共に前記半導体可飽和吸収ミラー及び前記固体レーザ媒質を支持する第１の支持体と、前記第１の支持体から前記第１の支持体と交差する方向に沿って突出した第２の支持体と、が一体形成された共振器ホルダーと、を備えたことを特徴とする。
【００２３】
この発明によれば、共振器ホルダーが、前記半導体可飽和吸収ミラー及び前記固体レーザ媒質との間に挟まれると共に前記半導体可飽和吸収ミラー及び前記固体レーザ媒質を支持する第１の支持体と、第１の支持体から第１の支持体と交差する方向に沿って突出した第２の支持体と、が一体形成された構成となっており、第１の支持体を挟むように半導体可飽和吸収ミラー及び固体レーザ媒質が支持される構成となっている。このため、半導体可飽和吸収ミラー及び固体レーザ媒質の放熱性を高くすることができると共に、第１の支持体が薄い場合でも第２の支持体によって共振器ホルダーの剛性を高めることができるため、安定した構造とすることができる。
【００２４】
なお、請求項２に記載したように、前記半導体可飽和吸収ミラーの光入射面が前記第１の支持体の一方の面に取り付けられた構成とすることが好ましい。これにより、半導体可飽和吸収ミラーの光入射面と反対側の面を共振器ホルダーに取り付ける場合と比較して、共振器ホルダーを容易かつ低コストで高精度に製造することができる。このため、半導体可飽和吸収ミラーを共振器ホルダーに容易且つ精度良く取り付けることができ、その結果、小型、低コスト、及び高安定動作が可能となる。
【００２５】
また、請求項３に記載したように、前記第１の支持体の前記第１の支持体と交差する方向における長さが、レーリー長の半分以下であることが好ましい。これにより、発振光のスポット径を良好に維持することができる。
【００２６】
また、請求項４に記載したように、前記第２の支持体の前記第１の支持体と交差する方向における長さが、前記第１の支持体の前記第１の支持体と交差する方向における長さの２倍以上であることが好ましい。これにより、より共振器ホルダーの剛性を高めることができる。
【００２７】
また、請求項５に記載したように、前記共振器ホルダーに、前記負分散ミラーが取り付けられた構成としてもよい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、超短パルスを出力するモード同期レーザ装置であって放熱性が高く且つ安定した構造のモード同期レーザ装置を提供することができる、という効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００３０】
図１（Ａ）には、モード同期レーザ装置１０の概略平面図、同図（Ｂ）には、概略側面図を示した。同図（Ａ）、（Ｂ）に示すように、モード同期レーザ装置１０は、励起光学系１２、ＳＥＳＡＭ１４、固体レーザ媒質１６、ダイクロイックミラー１８、負分散ミラー２０、ペルチェ素子２２、ペルチェ駆動部２４、ビームスプリッター４０、フォトダイオード４２、及び制御部４４を含んで構成されている。
【００３１】
図１（Ａ）に示すように、励起光学系１２は、励起用光源としての半導体レーザ２６及びセルフォックレンズ２８を含んで構成されており、例えば銅から成る部材により構成された励起光学系ホルダー３０上に例えば接着により固定されている。
【００３２】
ＳＥＳＡＭ１４、固体レーザ媒質１６、負分散ミラー２０、及びダイクロイックミラー１８が取り付けられたダイクロイックミラーホルダー３２は、直線上、すなわちパルス光Ｌの方向（共振器軸方向）に沿って配置され、共振器ホルダー３４に例えば接着により固定されている。なお、励起光学系１２は、図１（Ｂ）では図示を省略している。
【００３３】
共振器ホルダー３４は、図１（Ｂ）に示すように、側面から見た場合に共振器軸方向に沿った基本支持体３５Ａ、共振器軸方向に基本支持体３５Ａから共振器軸方向と直行する方向に突出した第１の支持体３５Ｂ、第１の支持体３５Ｂから共振器軸方向に沿って突出した第２の支持体３５Ｃ、及び第３の支持体３５Ｄが一体形成された略Ｕ字型の形状とされている。そして、第１の支持体３５Ｂ、第３の支持体３５Ｄには、パルス光Ｌを通過させるための孔３８Ａ、３８Ｂが各々形成されている。
【００３４】
ＳＥＡＳＡＭ１４及び固体レーザ媒質１６は、第１の支持体３５Ｂを挟むようにして第１の支持体３５Ｂに例えば接着により固定されている。また、第１の支持体３５Ｂから共振器軸方向に沿って第２の支持体３５Ｃが突出した構成としている。このような構成とすることにより、第１の支持体３５Ｂが薄い場合でも第２の支持体３５Ｃによって共振器ホルダー３４の剛性を高めることができると共に、動作の安定性を向上させることができる。
【００３５】
なお、第１の支持体３５Ｂの共振器軸方向における長さ（厚み）ｂは、発振光のスポット径が維持される距離であるレーリー長の半分以下であることが好ましい。これにより発振光のスポット径を良好に維持することができる。
【００３６】
また、第２の支持体３５Ｃの共振器軸方向における長さａは、第１の支持体３５Ｂの前記共振器軸方向における長さｂの２倍以上であることが好ましい。これにより、共振器ホルダー３４の剛性をより高めることができる。
【００３７】
また、共振器ホルダー３４は、熱伝導性と剛性の高い金属を使用することが好ましく、銅が好適である。さらに切削性を考慮しＴｅが添加された銅がより好ましい。
【００３８】
励起光学系ホルダー３０及び共振器ホルダー３４は、図１（Ｂ）に示す銅板３６上に固定されている。
【００３９】
銅板３６には、基板４６上に設けられた後述するペルチェ素子２２が取り付けられている。励起光学系１２、ＳＥＳＡＭ１４、固体レーザ媒質１６、ダイクロイックミラー１８、負分散ミラー２０、ペルチェ素子２２、ビームスプリッター４０、及びフォトダイオード４２は、基板４６上に封止部材４８によって封止されることにより密閉されており、外界と遮断されている。封止部材４８には、パルス光Ｌを外部へ出力するための透過窓４８Ａが設けられている。
【００４０】
なお、封止部材４８の基板４６への封止方法としては、例えばレーザ溶接や電気溶接等の溶接やシーム接合、半田付け、接着剤による接着等の種々公知の手法を用いることができる。
【００４１】
ＳＥＳＡＭ１４は、半導体可飽和吸収ミラーデバイスであり、本実施形態では、一例として変調深さ（ΔＲ）が０．６％、飽和フルーエンスが７０μＪ／ｃｍ２である。
【００４２】
このＳＥＳＡＭ１４と負分散ミラー２０とにより共振器が構成されている。この共振器の共振器長は、共振器及び固体レーザ媒質１６等を一体的に支持する共振器ホルダー３４が、十分な精度で加工できる範囲でより短いことが好ましい。具体的には、温度変動による部材の機械的変動を考慮すると、共振器長は１５０ｍｍ以下、より好適には７５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００４３】
固体レーザ媒質１６は、例えばイッテルビウム（Ｙｂ）を添加した固体レーザ結晶であり、具体的にはＹｂ：ＫＹＷ（ＫＹ（ＷＯ４）２）、Ｙｂ：ＫＧＷ（ＫＧｄ（ＷＯ４）２）、Ｙｂ：ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）、Ｙｂ：ＹＬＦ（ＬｉＹＦ４）、Ｙｂ：ＹＶＯ４等が挙げられる。また、これに限らず、Ｎｄ系（Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：Ｇｌａｓｓ）や、遷移金属系（Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ（ＬｉＳｒＡｌＦ６）、Ｃｒ：ＬｉＣＡＦ（ＬｉＣａＡｌＦ６）、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ等）を用いてもよい。
【００４４】
また、固体レーザ媒質１６の厚みと濃度は、励起光を十分に、例えば９０％の効率で吸収することが出来るように設定される。本実施形態では、一例として厚みが１．５ｍｍ、Ｙｂの添加濃度が５ａｔ％である。固体レーザ媒質１６の両面は光学研磨され、発振光の波長（一例として１０４５ｎｍ）、励起光の波長（一例として９８０ｎｍ）に対し低反射（一例として反射率が０．５％以下）の反射防止コーティングが施されている。
【００４５】
このような固体レーザ媒質１６は、例えば特許第３４５００７３号公報に記載された方法により共振器ホルダー３４に接着される。
【００４６】
なお、図１では、固体レーザ媒質１６は、その光入射面及び光出射面が共振器軸に対して直交するように配置されているが、共振器軸と直交する方向に対して数度（例えば２度〜５度）傾けて配置するようにしてもよい。これにより、共振器を周回している光パルスが、各光学部品の境界において残留反射する成分（サテライト成分）を抑制することが出来る。なお、これ以上傾けると、非点収差によりビーム形状が歪みを生じると同時に、結晶に施された無反射コートの反射率の角度依存性から、内部損失を被る場合がある。
【００４７】
ダイクロイックミラー１８は、励起光学系１２からの励起光を固体レーザ媒質１６の方へ折り返すものであり、例えば励起光の波長に対して高反射（例えば反射率が９５％以上）で、発振光の波長に対して低反射（例えば反射率が０．２％以下）のコーティングが施されており、これにより高効率な励起及び低内部損失が実現される。
【００４８】
ダイクロイックミラーホルダー３２に固定されたダイクロイックミラー１８は、共振器光軸に対してブリュースタ角になるように共振器内、すなわちＳＥＳＡＭ１４と負分散ミラー２０との間に配置されている。
【００４９】
負分散ミラー２０は、共振器内の群速度分散を補償し、かつ、共振器内の光パルスの高いピークパワーにより固体レーザ媒質１６において生ずる自己位相変調による正のチャープも補償する役割を担う。分散量は動作条件にも依存するが、０〜−３０００ｆｓｅｃ２程度の分散量であることが好ましい。本実施形態では、負分散ミラー２０の分散量は一例として−８００ｆｓｅｃ２とする。
【００５０】
さらに、負分散ミラー２０の透過率Ｔは、高反射（一例として反射率が９９．８％）の場合は、０．２％であるが、ミラー設計により、例えば出力結合率をおよそ０．５〜３％程度に設定することで、最適な出力取り出しが可能である。本実施形態では、透過率は一例として１．８％とする。
【００５１】
負分散ミラー２０の曲率半径は、共振器のガウスビーム伝搬設計により算出されるが、共振器スポット径を出来るだけ小さくするため、おおよそ共振器長と同程度の曲率半径を持たせ、ヘミスフェリカル型とすることが好適である。これにより、共振器スポットはおよそ５０μｍ直径程度に抑えることができ、短共振器に伴うＱスイッチ現象を回避することが出来る。また、これと同時に、励起光のスポット径との空間的な整合を良好に取ることが出来、高効率化が図れる。本実施形態では、一例として共振器長を５０ｍｍとし、負分散ミラー２０の曲率半径も共振器長と同様５０ｍｍとする。
【００５２】
励起光学系１２は、共振器軸に対して斜め方向から励起光をダイクロイックミラー１８の方へ向けて出力し、ダイクロイックミラー１８により反射された励起光が固体レーザ媒質１６へ入射されることにより固体レーザ媒質１６が励起される。
【００５３】
励起光学系１２の半導体レーザ２６は、例えば波長９８０ｎｍ、エミッタ幅５０μｍ、出力２Ｗの励起光を出力する半導体レーザを用いることができる。
【００５４】
また、半導体レーザ２６から出射された励起光は、セルフォックレンズ２８により集光される。集光スポット径は一例として略５０μｍφである。レーザ結晶の厚みと濃度は励起光を十分に、例えば９０％の効率で、吸収することが出来るよう設定されている。
【００５５】
ＳＥＳＡＭ１４、固体レーザ媒質１６、負分散ミラー２０、及びダイクロイックミラーホルダー３２が固定された共振器ホルダー３４と励起光学系ホルダー３０とが固定された銅板３６には、ペルチェ素子２２が取り付けられている。
【００５６】
共振器ホルダー３４及び励起光学系ホルダー３０は、ペルチェ素子２２により温度調整される。ペルチェ素子２２は、ペルチェ駆動部２４により駆動される。
【００５７】
このように、共振器ホルダー３４を温度調整可能なため、外部環境の温度が変動したとしても、共振器は一定の温度に保たれ、共振器長の変動、ミラー等の各部材の位置変動を最小に抑制することができる。これにより、極めて出力の安定な超短パルス光を出力することができる。
【００５８】
また、励起光学系ホルダー３０を温度調整可能なため、半導体レーザ２６の温度変動による波長変動や励起光学系１２と共振器との相対位置の変動等を抑制することができる。
【００５９】
また、一つの共振器ホルダー３４にＳＥＳＡＭ１４、固体レーザ媒質１６、負分散ミラー２０、及びダイクロイックミラーホルダー３２が固定された構成としているので、各部品用のホルダーを各々用意する必要がなく、簡単かつ小型な構成とすることができ、装置を低コストで作製することができる。
【００６０】
共振器から出力された光の一部は、ビームスプリッター４０によってフォトダイオード４２の方へ反射され、その他の光は透過窓４８Ａから外部へ出力される。
【００６１】
フォトダイオード４２は、ビームスプリッター４０によって反射された光の例えば強度を検出し、電気信号に変換して制御部４４へ出力する。制御部４４は、フォトダイオード４２で検出される光強度が略一定となるように半導体レーザ２６を制御するパワー一定制御を行う。これにより、モード同期レーザ装置１０の平均出力を略一定に維持することができる。
【００６２】
また、ＳＥＳＡＭ１４は、図１に示すように、固体レーザ媒質１６を透過した光が入射する光入射面のうち、光が透過する部位以外の部位に接着剤が塗布されて共振器ホルダー３４に接着される。このようにＳＥＳＡＭ１４の光入射面が共振器ホルダー３４の一端側に接着された構成とすることにより、ＳＥＳＡＭ１４に生じる熱を効率よく排熱し、熱による歪みに伴う動作の不安定性を極力取り除くことができる。なお、前述した特許文献１に記載されているように、ＳＥＳＡＭ１４を共振器ホルダー３４に接着する際の接着剤は、層厚が２μｍ以下で、かつ硬化率変化及び応力による層厚変化が１％以下である接着剤を用いることが好ましい。
【００６３】
ちなみに、ＳＥＳＡＭ１４の光入射面（前面）と反対側の面（背面）を共振器ホルダーに貼り付ける構造にする場合、例えば図２に示すような構造とすることが考えられる。しかしながら、図２に示すような構造とした場合、固体レーザ媒質１６と近接して配置するためには、共振器ホルダー３４の支持体３４Ａ、３４Ｂの間隙の距離を極力短くする必要があるが、共振器ホルダー３４を図２に示すような形状に高精度に切削加工することは困難であり製作コストが高くなる。また、非常に狭い支持体３４Ａ、３４Ｂの間隙にＳＥＳＡＭ１４を入れて支持体３４Ａに均一に接着することは極めて困難である。
【００６４】
このため、本実施形態に係るモード同期レーザ装置１０のように、ＳＥＳＡＭ１４の前面を共振器ホルダー３４の一端側に接着することにより、共振器ホルダー３４を容易かつ高精度で製造することができると共に、均一に接着することが出来る。
【００６５】
なお、共振器ホルダー３４の形状は、図１（Ａ）に示したコの字形状に限られるものではなく、図１（Ａ）において少なくとも第１の支持体３５Ｂと交差する方向、例えば共振器軸方向に第２の支持体が突出した形状であればよい。
【００６６】
本発明者は、上記構成のモード同期レーザ装置１０により、平均出力６００ｍＷ、パルス幅２００ｆｓｅｃ、繰り返し２．９ＧＨｚ、ピークパワー１ｋＷの超短パルス光を出力できることを確認した。このモード同期レーザ装置１０の長期ランニング試験を実施したところ、３０００ｈ以上の経時試験、温度サイクル試験（１５°Ｃ〜４５°Ｃ）においても、特段のパワー制御を施さなくとも、出力変動が１０％以下に抑制できることを確認した。また、本実施形態に係るモード同期レーザ装置１０のように、ＳＥＡＳＡＭ１４及び固体レーザ媒質１６が、第１の支持体３５Ｂに支持された構成ではなく、第１の支持体３５Ｂが設けられない構成のモード同期レーザ装置において上記の長期ランニング試験を実施した所、安定性は本実施形態に係るモード同期レーザ装置１０に対して３０％となり、安定性が低下することを確認した。
【００６７】
このように、毎日のようにアライメント調整が必要となる従来の大型のモード同期レーザ装置と比較して、パワー一定制御を必要とすることなく安定した出力が得られる。
【００６８】
また、前述したパワー一定制御を行うことにより、より安定した出力が得られる。本発明者がパワー一定制御を行った場合の１０００ｈの経時試験を実施したところ、出力変動が±０．５％となり、パワー一定制御を行わない前述の長期ランニング試験と比較して、出力の安定性が大きく向上することを確認した。
【００６９】
また、超短パルス光を出力するモード同期レーザ装置の繰返し周波数は、共振器長と逆比例関係にあるので、共振器長が極めて安定に保てる場合、周波数も極めて安定に保つことができる。これは、例えば本実施形態に係るモード同期レーザ装置１０を精密なクロック光源、時間分解測定、サンプリング測定に使用する場合には極めて有効である。さらに、２台の超短パルス光を出力するモード同期レーザ装置を時間同期させることにより、例えば、コヒーレント反ストークスラマン散乱など、２つ以上の光子を混合する非線形光学過程に適用することが可能となる。
【００７０】
さらに、この繰り返し周波数の安定性は、ジッターの安定性にもつながる。ジッターは、短時間（周波数としては１ＭＨｚ以下）のミラーの機械的な変動が主原因と考えられるが、本実施形態に係るモード同期レーザ装置１０では、上記のように安定的に動作するので、大型のモード同期レーザ装置と比較して、ジッターについても効果的に抑制することができる。本発明者が本実施形態に係るモード同期レーザ装置１０を動作させてジッターを測定したところ、１２０ｆｓｅｃ以下のジッターが得られた。
【００７１】
なお、超短パルス光を出力するモード同期レーザ装置においては、共振器内部を周回している光パルスは、負分散ミラー２０の透過率をＴとした場合に、共振器の外のパルスの１／Ｔであるため、本実施形態に係るモード同期レーザ装置１０の場合、１ｋＷ／（０．０１８）＝５６ｋＷのピークパワーの光パルスが周回していることになる。これは、各種の有機材料、たとえば、接着剤や銅線の被覆などからのアウトガスや雰囲気中の油分などに対し、２光子吸収を起こしうる強度である。本発明者は、２光子吸収により光化学反応が生じ、固体として析出することを長時間試験において観測した。
【００７２】
これに対し、本実施形態に係るモード同期レーザ装置１０では、基板４６が封止部材４８によって封止されることにより各部材が密閉されており、外界と遮断されている。これにより、外部の雰囲気からの不純物が浮遊・混入することを防ぐことができる。従って、超短パルス光の出力安定性を高めることが出来る。本発明者は、このような密閉構造のモード同期レーザ装置１０において、上記のパワー一定制御を行わない場合でも出力変動を５％以下に抑えることを確認した。
【００７３】
なお、本実施形態では、共振器を構成する部材が直線上に配置された直線型共振器を備えたモード同期レーザ装置について説明したが、これに限らず、例えば図３に示すような共振器を構成する部材がＶ字上に配置されたＶ字型共振器を備えたモード同期レーザ装置にも本発明を適用可能である。
【００７４】
図３に示すモード同期レーザ装置１０Ａは、半導体レーザー２６及びセルフォックレンズ２８から成る励起光学系１２、ＳＥＡＳＡＭ１４、固体レーザ媒質１６、ダイクロイックミラー１８、負分散ミラー２０、シリンドリカルミラー５０、及び出力ミラー５２を含んで構成されている。この場合、共振器は、ＳＥＡＳＡＭ１４、負分散ミラー２０、シリンドリカルミラー５０、及び出力ミラー５２により構成され、出力ミラーより超短パルス光が外部へ出力される。この構成においても、ＳＥＡＳＡＭ１４と固体レーザ媒質１６とが近接して配置される。このように、共振器が直線型かＶ字型かに拘わらず、ＳＥＡＳＡＭ１４と固体レーザ媒質１６とが近接して配置される構成であれば本発明を適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】（Ａ）はモード同期レーザ装置の平面図、（Ｂ）は（Ａ）の側面図である。
【図２】（Ａ）は変形例に係る共振器ホルダーの平面図、（Ｂ）は（Ａ）の側面図である。
【図３】変形例に係るモード同期レーザ装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００７６】
１０、１０Ａ      モード同期レーザ装置
１２      励起光学系
１６      固体レーザ媒質
１８      ダイクロイックミラー
２０      負分散ミラー
２２      ペルチェ素子
２４      ペルチェ駆動部
２６      半導体レーザ
２８      セルフォックレンズ
３０      励起光学系ホルダー
３２      ダイクロイックミラーホルダー
３４      共振器ホルダー
３４Ａ、３４Ｂ      支持体
３５Ａ      基本支持体
３５Ｂ      第１の支持体
３５Ｃ      第２の支持体
３５Ｄ      第３の支持体
３６      銅板
３８Ａ、３８Ｂ      孔
４０      ビームスプリッター
４２      フォトダイオード
４４      制御部
４６      基板
４８      封止部材
４８Ａ      透過窓
５０      シリンドリカルミラー
５２      出力ミラー
【図１】
2010109094.tif 000003
【図２】
2010109094.tif 000004
【図３】
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