(57)【要約】【課題】安定性の高い、高出力を得ることができる、小型、かつ低コストのモード同期固体レーザ装置を得る。【解決手段】モード同期固体レーザ装置直１として、線型共振器と、共振器内に配置された固体レーザ媒質１３と、共振器の一端もしくは内部に配置されたモード同期を誘起するための可飽和吸収体１２と、共振器の他端もしくは内部に配置された群速度分散補償素子１１と、固体レーザ媒質１３に励起光Ｌ０を入射させる励起光学系１８と、共振器内に配置された、共振器内を共振しているパルス光Ｌの偏光方向を変化させる電気光学変調素子２１、および電気光学変調素子２１により偏光方向が変化されたパルス光Ｌを共振器光軸と交差する方向へ偏向させる偏向素子２２を含む、パルス光Ｌを共振器の外部に取り出すためのキャビティダンピング機構２０とを備えた構成とする。【選択図】図１
2010258198.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線型共振器と、
該共振器内に配置された固体レーザ媒質と、
前記共振器の一端もしくは内部に配置されたモード同期を誘起するための可飽和吸収体と、
前記固体レーザ媒質に励起光を入射させる励起光学系と、
前記共振器内に配置された、該共振器内を共振しているパルス光の偏光方向を変化させる電気光学変調素子、および該電気光学変調素子により偏光方向が変化されたパルス光を共振器光軸と交差する方向へ偏向させる偏向素子を含む、前記パルス光を共振器の外部に取り出すためのキャビティダンピング機構と、
を備えていることを特徴とするモード同期固体レーザ装置。
【請求項２】
前記直線型共振器の共振器長が150ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のモード同期固体レーザ装置。
【請求項３】
前記共振器の他端もしくは内部に配置された負群速度分散補償素子をさらに備えていることを特徴とする請求項１または２記載のモード同期固体レーザ装置。
【請求項４】
前記可飽和吸収体が、半導体可飽和吸収ミラーであり、
前記負群速度分散補償素子が、負分散ミラーであり、
前記直線型共振器が、前記半導体可飽和吸収ミラーと負分散ミラーとにより構成されており、
前記励起光学系が、前記共振器の共振器光軸に対して、該光軸に交差する方向から前記励起光を入射させる励起光入射光学手段と、前記共振器光軸上に配置された、該励起光入射光学手段により前記共振器内に入射された前記励起光を、前記固体レーザ媒質に向けて反射すると共に、前記パルス光を透過するダイクロイックミラーとを備えてなるものであることを特徴とする請求項３記載のモード同期固体レーザ装置。
【請求項５】
前記電気光学変調素子がＳＢＮ結晶またはＫＴＮ結晶であることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載のモード同期固体レーザ装置。
【請求項６】
前記共振器内を共振している前記パルス光が第１の方向の直線偏光であり、
前記電気光学変調素子が、前記パルス光の前記第１の方向の直線偏光を、９０°回転させて第１の方向と直交する第２の方向の直線偏光とするものであることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載のモード同期固体レーザ装置。
【請求項７】
前記偏向素子が、該偏向素子に入射される光が前記第２の方向の直線偏光である場合にのみ、該光の進路を偏向させるものであることを特徴とする請求項６記載のモード同期固体レーザ装置。
【請求項８】
前記偏向素子が、前記第１の方向の直線偏光を透過し、前記第２の方向の直線偏光を反射するものであることを特徴とする請求項６記載のモード同期固体レーザ装置。
【請求項９】
前記ダイクロイックミラーが、前記偏向素子を兼ねるものであり、前記第１の方向の直線偏光を透過し、前記第２の方向の直線偏光を反射するものであることを特徴とする請求項６記載のモード同期固体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型で高出力かつ高効率の短パルス動作が可能なモード同期固体レーザ装置に関し、特には、高取出し効率を可能とするモード同期固体レーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パルス幅がピコ秒またはフェムト秒の超短パルス光は、その非常に大きなピークパワーにより、２光子吸収の誘起や第２次高調波発生（ＳＨＧ:Second Harmonic Generation）、コヒーレントアンチストークスラマン散乱(ＣＡＲＳ: Coherent Anti Storks Raman Scattering)等の非線形光学効果を生じさせることができ、超短パルス光による非線形光学効果は様々な分野において応用が期待されている。
【０００３】
超短パルス光を生成する方法としては、共振器内に配置された固体レーザ媒質を半導体レーザなどで励起し、発振している多くの縦モードの位相を同期させる「モード同期」方式があり、この方式でパルスレーザ光を生成するレーザ装置はモード同期レーザ装置と称されている。現在市販されているモード同期レーザ装置としては、スペクトラフィジックス社製のTSUNAMIやコヒーレント社製Chameleon等が広く知られている。これらの市販されているモード同期レーザ装置は、ピークパワーを大きくするために共振器長を長く（２ｍ程度）構成しているために、複数回光を折り返すための多くの光学部品を備えた、大型で複雑な共振器構造となっている。また、主として固体レーザ媒質としてチタンサファイア結晶を用いており、このチタンサファイア結晶を励起するためには、励起光源としてさらに固体レーザ光源を備える必要があることから、レーザ装置自体が非常に大型かつ高価なものとなっている。また、出力安定性に関しては、出力変動に対し、共振器ミラーを最適化し出力を一定にするフィードバック機能を追加しなければ、数週間で発振が停止してしまうような不安定なものである。
【０００４】
これら共振器構造の複雑化および出力不安定化を招いている原因の一つは、２ｍ程度の長い共振器長にある。共振器長が長くなると、ある体積内に共振器を収納するために、共振器を折返す必要があり、そのため共振器構造が複雑になる。また、共振器長が長いと、温度/湿度などによる環境変動により、ミラーなどの共振器を構成する光学部品が微妙に動いた場合、大きく共振器光軸が動くことになり、出力が不安定となる。
【０００５】
一方、直線型で小型の超短パルスレーザが特許文献１〜３において提案されている。具体的には、特許文献１には、固体レーザ媒質の一端面を曲率ミラーとし、この曲率ミラーと、固体レーザ媒質の他端面に配置された半導体可飽和吸収ミラー（ＳＥＳＡＭ）とから共振器を構成することにより小型化したモード同期固体レーザが提案されており、特許文献２には、固体レーザ媒質に可飽和吸収ミラーをコーティング形成すると共に、負分散ミラーが出力ミラーを兼ねる構成とすることで光学部品を低減し小型化したモード同期固体レーザが提案されている。また、特許文献３には、負分散ミラーと、レーザ媒質に近接して配置されたＳＥＳＡＭとにより構成された直線型のモード同期固体レーザが提案されている。それぞれ、モード同期に必要なＳＥＳＡＭを共振器ミラーの一端として備えており、いずれも、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な構成例が挙げられている。
【０００６】
また、本出願人は、手のひらサイズの小型で安定性の高いモード同期固体レーザ装置として、パルスエネルギー約0.2ｎＪ程度、ピークパワー約10Ｗ〜1ｋＷの超短パルス光を出力可能な装置を実現している。
【０００７】
超短パルス光による非線形光学効果の応用が期待されている分野としては、生体イメージング、生体加工などが挙げられ、特に生体加工への応用を実現するためには、数ｎＪ〜数十ｎＪ程度の大きなパルスエネルギーが必要とされる。
【０００８】
超短パルス光のエネルギーおよびピークパワーを増幅する一般的な方法としては、レーザ発振器の外部に増幅機構を設ける手法が知られている。ＣＰＡ(Chirped pulse amplifier)と呼ばれる手法では、まず、レーザ発振器からの超短パルス光を、グレーティング等で構成された群速度分散制御機構に通し、パルス幅を拡大してから、増幅媒体を通過させパルスエネルギーを増加させ、さらに再度該群速度分散制御機構を通して元のパルス幅に圧縮して、高エネルギーかつ高ピークパワーのパルス光を得ることができる。しかしながら、このＣＰＡ法では、外部に増幅機構を備える必要があるために、高エネルギー、ピークパワーを出力させるための装置全体としてのサイズは大型化し、高コスト化してしまう。
【０００９】
一方、特許文献４では、100ｎＪを超えるパルスエネルギーを達成することを目的とし、共振器内に光変調器を配置し、共振器内の高エネルギーかつ高ピークパワーの超短パルス光を共振器外部に取出す手法（「キャビティーダンビング」と称す。）が提案されている。本手法を用いることで、外部に増幅機構を設ける必要なく超短パルス光のエネルギーを増幅することが可能となる。特許文献４においては、100ｎＪを超える非常に高エネルギーの超短パルス光を実現するために、共振器長を約７ｍ（特許文献４に記載の繰り返し周波数から算出。）と長くしており、複雑な共振器構造となっている。従って、共振器自体の小型化が達成できず、出力不安定性、高コスト化が避けられない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第７１０６７６４号明細書
【特許文献２】特開平１１−１６８２５２号公報
【特許文献３】特開２００８−２８３７９号公報
【特許文献４】特表２００７−５１４３０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述の通り、現時点において、生体加工に応用可能な数ｎＪ〜数十ｎＪ程度のパルスエネルギーの超短パルス光を高い安定性で出力可能な、小型、かつ低コストの超短パルスレーザ装置は実現されていない。
【００１２】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、生体加工に応用可能な高いパルスエネルギー、ピークパワーの超短パルス光を、安定性高く出力することができる、小型、かつ低コストの超短パルスレーザ装置としてのモード同期固体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】
【００１３】
本発明のモード同期固体レーザ装置は、直線型共振器と、
該共振器内に配置された固体レーザ媒質と、
前記共振器の一端もしくは内部に配置されたモード同期を誘起するための可飽和吸収体と、
前記固体レーザ媒質に励起光を入射させる励起光学系と、
前記共振器内に配置された、該共振器内を共振しているパルス光の偏光方向を変化させる電気光学変調素子、および該電気光学変調素子により偏光方向が変化されたパルス光を共振器光軸と交差する方向へ偏向させる偏向素子を含む、前記パルス光を共振器の外部に取り出すためのキャビティダンピング機構と、を備えていることを特徴とするものである。
【００１４】
ここで、直線型共振器とは、２枚の共振器ミラーのみによって構成されている共振器をいう。なお、可飽和吸収体を共振器の一端に配置するとは、可飽和吸収体が共振器ミラーを兼ねることを意味するものである。
また、前記共振器の他端もしくは内部に配置された負群速度分散補償素子をさらに備えてもよい。ここで、負群速度分散補償素子を共振器の他端に備えるとは、負群速度分散補償素子が共振器ミラーを兼ねることを意味するものである。
【００１５】
前記直線型共振器の共振器長は１５０ｍｍ以下であることが望ましく、７５ｍｍ以下であることがさらに望ましい。
【００１６】
また、前記可飽和吸収体が、半導体可飽和吸収ミラーであり、前記負群速度分散補償素子が、負分散ミラーであり、前記直線型共振器が、前記半導体可飽和吸収ミラーと負分散ミラーとにより構成されており、前記励起光学系が、前記共振器の共振器光軸に対して、該光軸に交差する方向から前記励起光を入射させる励起光入射光学手段と、前記共振器光軸上に配置された、該励起光入射光学手段により前記共振器内に入射された前記励起光を、前記固体レーザ媒質に向けて反射すると共に、前記パルス光を透過するダイクロイックミラーとを備えてなるものであることが望ましい。
【００１７】
前記電気光学変調素子としては、ＳＢＮ結晶（ニオブ酸ストロンチウムバリウム結晶）またはＫＴＮ結晶（タンタル酸ニオブ酸カリウム結晶）を好適に用いることができる。
【００１８】
前記共振器内を共振している前記パルス光が第１の方向の直線偏光であるとき、
前記電気光学変調素子が、前記パルス光の前記第１の方向の直線偏光を、９０°回転させて第１の方向と直交する第２の方向の直線偏光とするものであることが望ましい。
【００１９】
また、この場合、前記偏向素子としては、該偏向素子に入射される光が前記第２の方向の直線偏光である場合にのみ、該光の進路を偏向させるものを用いてもよいし、前記第１の方向の直線偏光を透過し、前記第２の方向の直線偏光を反射するものを用いてもよい。さらに、前記ダイクロイックミラーを、前記偏向素子を兼ねるものとし、前記第１の方向の直線偏光を透過し、前記第２の方向の直線偏光を反射するものとしてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のモード同期固体レーザ装置は、小型に構成可能な直線型共振器内に、キャビティダンピング機構を備えたことにより、共振器内部のパルス光を、出力ミラーを介することなく取り出すことができるので、小型、低コスト、出力の高安定性を維持しつつ、一般的な出力ミラーから取り出されるパルス光と比較して高エネルギーのパルス光を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るモード同期固体レーザ装置の概略構成図
【図２】本発明の第２の実施形態に係るモード同期固体レーザ装置の概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施形態について説明する。
本発明の第１の実施形態に係るモード同期固体レーザ装置１について説明する。図１は、第１の実施形態に係るモード同期固体レーザ装置１の概略構成示す模式図である。
【００２３】
本モード同期固体レーザ装置１は、共振器の一端を構成する共振器ミラー１１と、共振器の他端を構成する可飽和吸収体であるＳＥＳＡＭ（半導体可飽和吸収ミラー）１２と、共振器内に配置された固体レーザ媒質１３と、励起光（ポンピング光）Ｌ０を発する半導体レーザ１４および励起光Ｌ０を共振器内に共振器光軸に交差する方向から入力させるセルフォックレンズ１５からなる励起光入射光学手段１６および、この励起光入射光学手段１６により共振器光軸に交差する方向から入射された励起光Ｌ０を、固体レーザ媒質１３に向けて反射すると共に、共振器内で共振するパルス光Ｌを透過する、共振器内に配されたダイクロイックミラー１７からなる励起光学系１８と、共振器内からパルス光Ｌを外部に取り出すためのキャビティダンピング機構２０とを備えている。
【００２４】
本装置１においては、励起光入射光学手段１６により、励起光Ｌ０が共振器光軸と交わる方向から共振器に入力され、共振器内の共振器光軸上に配置されたダイクロイックミラー１７により反射されて固体レーザ媒質へと導入されるよう構成されている。このダイクロイックミラー１７は、励起光Ｌ０を高反射（例えば、反射率＞85％）で反射するとともに、レーザ発振光（パルス光）Ｌを無反射（例えば、反射率＜0.5％）で透過させる。このため、挿入に伴うレーザ発振効率の低下は最小限に抑制出来るとともに、励起光源を従来の光学系よりも固体レーザ媒質に近づけることが出来、装置を小型に構成できるという利点がある。なお、このダイクロイックミラーは、45度入射あるいはブリュースター角での入射が望ましい。ダイクロイックミラーには、励起光の入射角度に応じたコート設計を施せばよい。
【００２５】
共振器ミラー１１とＳＥＳＡＭ１２との距離は、光学的共振器長が１５０ｍｍ以下となるように配置することが望ましい。共振器長を１５０ｍｍ以下とすることにより、レーザ出力の不安定性を抑制し、機械的変動による出力変動を無視できる程度に抑制することができる。なお、共振器長は、さらには、７５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２６】
なお、共振器の両端は、単なる共振器ミラーにより構成し、可飽和吸収体を共振器内に配置するよう構成してもよい。ただし、上記のようにＳＥＳＡＭを用いることにより、より装置の小型化を行うことができ好ましい。
【００２７】
固体レーザ媒質１３は、ＳＥＳＡＭ１２に近接して配置されている。共振器ミラー１１とＳＥＳＡＭ１２とにより直線型共振器が形成されており、発振光のビームウェストは、ＳＥＳＡＭ１２上にのみ形成される。そのため、固体レーザ媒質とＳＥＳＡＭとの距離が大きくなると、固体レーザ媒質における発振光のビーム半径が大きくなりすぎ、レーザ発振が起きない、あるいはモード同期が掛からずパルス発振ができない恐れがあるためである。なお、固体レーザ媒質１３とＳＥＳＡＭ１２とは、接触配置されていてもよい。
【００２８】
固体レーザ媒質１３としては、特に制限なく、公知の種々の固体レーザ結晶を用いることができる。具体的には、Ｙｂ：ＫＧＷ（ＫＧｄ（ＷＯ４）２）、Ｙｂ：ＫＹＷ（ＫＹ（ＷＯ４）２）、Ｙｂ：ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）、Ｙｂ：Ｙ２Ｏ３、Ｙｂ：Ｓｃ２Ｏ３、Ｙｂ：Ｌｕ２Ｏ３、Ｙｂ：ＧｄＣＯＢ（Ｃａ４ＧｄＯ（ＢＯ３）３）、Ｙｂ：ＳＹＳ（ＳｒＹ４（ＳｉＯ４）３）、Ｙｂ：ＢＯＹＳ（Ｓｒ３Ｙ（ＢＯ３）３）、Ｙｂ：ＹＶＯ４、Ｙｂ：ＧｄＶＯ４、Ａｌｅｘａｎｄｒｉｔｅ（Ｃｒ：ＢｅＡｌ２Ｏ４）、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ（ＬｉＳｒＡｌＦ６）、Ｃｒ：ＬｉＳＧＡＦ（ＬｉＳｒＧａＦ６）、Ｃｒ：ＬｉＣＡＦ（ＬｉＣａＡｌＦ６）、Ｃｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅ（Ｍｇ２ＳｉＯ４）、Ｃｒ：ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）、Ｃｒ：Ｃａ２ＧｅＯ４、Ｔｉ：Ａｌ２Ｏ３、Ｎｄ：ＹＶＯ４、ｄ：Ｇｌａｓｓ、及びＥｒ：Ｙｂ：Ｇｌａｓｓなどが挙げられる。なお、例えば、Ｙｂ：ＫＹＷにより１０４５ｎｍ、Ｙｂ:ＹＡＧにより１０３０ｎｍ〜１１００ｎｍ、Ｙｂ:ＫＧＷにより１０００ｎｍあるいは１０４５ｎｍ、Ｙｂ：Ｙ2Ｏ3により１０７５ｎｍ、Ｙｂ:Ｓｃ2Ｏ3により１０４１ｎｍ、Ｎｄ：ＹＶＯ4により１０６４ｎｍ、Ｎｄ：Ｇｌａｓｓにより１０６０ｎｍのそれぞれ発振波長を得ることができる。またＣｒ:ＬｉＳＡＦ、Ｃｒ:ＬｉＣＡＦ、アレキサンドライトなどを用いれば、７６０ｎｍ〜１０００ｎｍの発振波長を得ることができる。
【００２９】
キャビティダンピング機構２０は、共振器内に配置された、電気光学変調素子２１（２１ａ、２１ｂ）およびパルス光を共振器光軸と交差する方向へ偏向させる偏向素子２２を備えている。電気光学変調素子２１は、電圧印加手段３３により電圧が印加されるよう構成されている。なお、本実施形態においては、偏向素子２２により偏向されたパルス光Ｌを反射するミラー２３をさらに備えている。本実施形態においては、電気光学変調素子２１として、同じ形状の結晶を互いの結晶軸が直交するように２つ（２１ａ、２１ｂ）配置することにより、電圧が印加されていない場合における、パルス光の偏光の回転（リタデーション）を補償するよう構成されている。なお、１つの結晶のみを備えた場合であっても、直流電圧を印加することにより補償することが可能である。電気光学変調素子２１としては、ＳＢＮ結晶またはＫＴＮ結晶が好適である。
【００３０】
本構成においては、電気光学変調素子２１（２１ａ、２１ｂ）は、電圧が印加されていない状態では、パルス光の偏光を回転させず、電圧が印加された場合、パルス光が電気光学変調素子２１（２１ａ、２１ｂ）を往復する（２度通る）と、パルス光の偏光を９０°回転させるものである。すなわち、電圧印加された電気光学変調素子２１を往復することにより、第１の方向の直線偏光Ｐ１（以下において、「第１の直線偏光Ｐ１」という。）のパルス光は、その偏光Ｐ１が９０°回転され、偏光Ｐ１と直交する第２の方向の直線偏光Ｐ２（以下において、「第２の直線偏光Ｐ２」という。）となる。
【００３１】
偏向素子２２は、第１の直線偏光Ｐ１の光に対しては作用せずそのまま透過させ、第１の直線偏光Ｐ１と直交する第２の直線偏光Ｐ２の光の進路を変更するものである。
【００３２】
本実施形態においては、共振器ミラー１１は、パルス光Ｌを僅かに（例えば、透過率０．１％程度）透過させるものとしており、この共振器ミラー１１を透過したパルス光を、フォトディテクタ３０により検出し、電気信号に変換して、電気光学変調素子２１への電圧印加の際のタイミング信号として用いるよう構成されている。
【００３３】
なお、フォトディテクタ３０で検出された電気信号は、分周期３１、遅延器３２を経て、タイミング信号として、電圧印加手段である高電圧パルス発生器３３に入力される。タイミング信号と同期した高電圧パルス信号は、高電圧パルス発生器３３と電気光学変調素子２１との間の位相を整合するための位相整合回路３４を通過後、電気光学変調素子２１に印加される。
【００３４】
上記構成のモード同期固体レーザ装置においては、まず、電気光学変調素子に電圧を印加しない状態下において、半導体レーザ１４から出力され、セルフォックレンズ１５により共振器光軸に対して光軸と交差する方向（ここでは光軸と直交する方向）から入射された励起光Ｌ０がダイクロイックミラー１７により反射されて固体レーザ媒質１３に入力され、固体レーザ媒質１３が励起され、それにより発生した光が共振器の作用で発振する。本構成の装置においては、共振器内で共振するレーザ発振光ＬのビームウェストはＳＥＳＡＭ１２上にのみ形成されている。共振器内においては、ＳＥＳＡＭ１２によるモード同期作用により、発振光Ｌがパルス光として共振器内を周回する。その後、電気光学変調素子２１に電圧を印加させた状態で、パルス光が電気光学変調素子２１を往復することにより、その直線偏光Ｐ１が９０°回転せしめられて直線偏光Ｐ１と直交する方向の直線偏光Ｐ２となり、直線偏光Ｐ２に対してのみ作用して進路を偏向する偏向素子２２により、共振器光軸に交差する方向へと偏向される。この偏向されたパルス光をさらにミラー２３により反射させることにより共振器外部に取り出す。
【００３５】
なお、電気光学変調素子への電圧の印加タイミングは、共振器ミラー１１を透過した発振光Ｌの一部をフォトディテクタ３０で検出し、電気信号として変換した信号に基づいて行われる。
【００３６】
上記実施形態のモード同期固体レーザ装置１は、小型で安定な共振器構成において、共振器中で周回しているパルス光を、共振器ミラーを介することなく、共振器外にとりだすことにより、非常に大きなパルスエネルギーの超短パルス光を得ることができる。
【００３７】
本実施形態の具体的な実施例を説明する。
共振器ミラー１１として、共振器内側の凹面側に、波長１０６４±５ｎｍの光に対して反射率が９９．９％の高反射コーティングが施されており、平面側には波長１０６４±５ｎｍの光に対し透過率が９９．９％以上の反射防止コーティングが施されているものを用いた。凹面の曲率半径は５０ｍｍとした。なお、この共振器ミラー１１は、ＳＥＳＡＭ１２の端面から約７０ｍｍの位置に配置した。
【００３８】
ＳＥＳＡＭ１２として、波長１０６４ｎｍの光に対し変調深さ（ΔＲ）が０．４％、不飽和損失（Ｒns）が０．２％、飽和フルーエンスが７０μＪ／ｃｍ2であるＢＡＴＯＰ社製のＳＥＳＡＭを用いた。
【００３９】
固体レーザ媒質１３として、厚み１ｍｍ、Ｎｄ濃度２％のＮｄ：ＹＶＯ４を用いた。この両端面には、波長８０８±５ｎｍの光に対して透過率が９５％以上、波長１０６４±１０ｎｍの光に対して透過率が９９．９％以上である反射防止コーティングが施されている。すなわち、本実施例において、パルス光Ｌの中心波長は１０６４ｎｍである。
【００４０】
半導体レーザ１４としては、オプトエナジー社製の波長８０８ｎｍ、発光幅５０μｍ、最大出力２Ｗのものを使用した。すなわち本実施例において、励起光Ｌ０の中心波長は８０８ｎｍである。
【００４１】
セルフォックレンズ１５としては、長さ５．４ｍｍ、φ１．８ｍｍであり、両端面に波長８０８ｎｍの光に対する反射防止コーティングが施されているものを用いた。
【００４２】
ダイクロイックミラー１７としては、励起光入射側の端面には４５°入射の波長８０８±５ｎｍの光に対して９５％以上の反射率、波長１０６４±１０ｎｍの光に対して９９．９％以上の透過率を有するダイクロイックコーティングが施されており、他方の端面には４５°入射の波長１０６４±１０ｎｍの光に対して９９．９％以上の透過率を有する反射防止コーティングが施されているものを用いた。なお、ダイクロイックミラーは共振器光軸に対して４５°で共振器内に配置した。
【００４３】
電気光学変調素子２１ａ、２１ｂとしては、厚み２ｍｍ、幅２ｍｍ、長さ７．５ｍｍのＳＢＮ結晶を用い、２つのＳＢＮ結晶を、互いの結晶軸（ａ軸）が直交するように、長さ方向が共振機軸方向となるように配置した。また、ＳＢＮ結晶２１ａ、２１ｂの、共振器軸に対して平行となる２ｍｍ×７．５ｍｍの対向する２つの側面には、電極が蒸着されており、半波長電圧（ａ軸に電圧印加）が約５４Ｖとした。このように、同じ形状の結晶を、結晶軸を直交させて配置することにより、上述の通り、リタデーションの補正を行っている。一つの結晶を用いた場合においても、直流電圧を印加することにより、リタデーションを補正することが可能である。また、ＳＢＮ結晶２１ａ、２１ｂの共振器軸が直交する２ｍｍ×２ｍｍの端面には、波長１０６４±５ｎｍの光に対し透過率が９９．９％以上の反射防止コーティングが施されている。
【００４４】
偏向素子２２としては、ＹＶＯ４結晶からなるビームディスプレイサーを用いた。ＹＶＯ４結晶は厚み３ｍｍ、幅３ｍｍ、長さ２０ｍｍのもの、長さ方向が共振機軸方向となるように配置して使用した。共振機軸と垂直な３ｍｍ×３ｍｍの側面には波長１０６４±５ｎｍの光に対し透過率が９９．９％以上の反射防止コーティングが施されている。ビームディスプレイサー２２は、Ｐ偏光（第１の直線偏向）のパルス光をそのまま透過し、Ｓ偏光（第２の直線偏光）のパルス光の進行方向を変化させるものである。
【００４５】
反射ミラー２３としては、合成石英からなる、厚み０．５ｍｍ、幅５ｍｍ、長さ５ｍｍのものを使用した。ミラー２３の５ｍｍ×５ｍｍの端面には、波長１０６４±５ｎｍの光に対し反射率が９９．９％以上の高反射コーティングが施されており、ミラー２３は、ビームディスプレイサーにより偏向された光がこの端面に入射し、所望の方向へ反射するように配置した。
【００４６】
本実施例において、ＳＢＮ結晶２１ａ、２１ｂには、高電圧パルス発生器３３からのパルス電圧が印加される。共振器ミラー１１を透過したパルス光は高速ＰＩＮフォトディテクタ３０により電気信号に変換され、分周器(1/1000)３１によりその周波数を１／１０００の周波数に分周され、遅延器３２により遅延された電気信号は、タイミング信号として、高電圧パルス発生器３３に入力される。タイミング信号と同期した、高電圧パルス発生器３３からの高電圧パルス信号は、位相整合回路３４により、高電圧パルス発生器３３とＳＢＮ結晶２１ａ、２１ｂとの間の位相整合がなされた上で、ＳＢＮ結晶２１ａ、２１ｂに印加される。ＳＢＮ結晶２１ａ、２１ｂにより偏光が９０°回転したパルス光は、ディスプレイサー２２により偏向され、反射ミラー２３で反射されて、共振器外部に取出される。
【００４７】
本構成のモード同期固体レーザ装置１によって、ＳＢＮ結晶が非駆動時（電圧が印加されていない状態）において、繰返し周波数が１．４ＧＨｚ、平均出力３５ｍＷ、パルスエネルギー０．０２５ｎＪ、パルス幅１０ｐｓ、中心波長１０６４ｎｍの超短パルス光が透過率０．１％の共振器ミラーを透過して出力された。
【００４８】
この共振器ミラーを透過した超短パルス光をタイミング信号として使用し、ＳＢＮ結晶を駆動（ＳＢＮ結晶に電圧を印加）した場合、キャビティダンピング機構２０により取り出された超短パルス光（ミラー２３によって反射された超短パルス光）は、繰返し周波数１．４ＭＨｚ、平均出力２８ｍＷ、パルス幅１２ｐｓ、パルスエネルギー２０ｎＪであった。
【００４９】
このように、本実施例の構成において、一般に市販されているチタンサファイア超短パルスレーザのパルスエネルギー（１０〜３０ｎＪ）と同等レベルの超短パルス光を、手のひらサイズの小型のモード同期固体レーザ装置から得ることができた。
【００５０】
次に、本発明の第２の実施形態に係るモード同期固体レーザ装置２について説明する。図２は、第２の実施形態に係るモード同期固体レーザ装置２の概略構成を示す模式図である。なお、第１の実施形態のモード同期固体レーザ装置１と同一の構成要素については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００５１】
本モード同期固体レーザ装置２は、第１の実施形態の装置１とは、キャビティダンピング機構の構成が異なる。本実施形態においては、励起光学系１８のダイクロイックミラー１７’が、キャビティダンピング機構２０’におけるパルス光を共振器光軸と交差する方向へ偏向させる偏向素子を兼ねており、ダイクロイックミラー１７’は、第１の直線偏光Ｐ１を透過し、第２の直線偏光Ｐ２を反射するものである。このようにダイクロイックミラーに偏向素子の機能を付加することにより、レーザ装置を構成する部品点数が削減でき、さらなる小型化を図ることができる。なお、励起光学系のダイクロイックミラーに偏向素子の機能を付加するのではなく、第１の直線偏光を透過し、第２直線偏光を反射する偏向ビームスプリッタからなる偏向素子を共振器内に配置してもよい。
また、本実施形態においては、共振器の一端を構成する共振器ミラーとして、負群速度分散補償素子である負分散ミラー１１’を備えている。負分散ミラー（負群速度分散補償素子）は、共振器を光が一往復した場合の、該共振器全体での群速度分散が０以下となるようにするため、所定の負の群速度分散を有するものである。
【００５２】
本実施形態のモード同期固体レーザ装置２においては、まず、電気光学変調素子に電圧を印加しない状態下において、半導体レーザ１４から出力され、セルフォックレンズ１５により共振器光軸に対して光軸と交差する方向（ここでは光軸と直交する方向）から入射された励起光Ｌ０がダイクロイックミラー１７により反射されて固体レーザ媒質１３に入力され、固体レーザ媒質１３が励起され、それにより発生した光が共振器の作用で発振する。本構成の装置においては、共振器内で共振するレーザ発振光ＬのビームウェストはＳＥＳＡＭ１２上にのみ形成されている。ここでは発振光Ｌは、負分散ミラー１１’の作用による負の群速度分散と、主に固体レーザ媒質１３での自己位相変調が組み合わさって、フェムト秒領域のパルス光として共振器内を周回することとなる。より詳しくは、ＳＥＳＡＭ１２によりモード同期が始動してパルスを維持安定化させるとともに、群速度分散と自己位相変調がバランスすることによるソリトンパルス形成を経てモード同期パルスの急峻化が起こり、安定したソリトンパルスの発生が可能となる。パルス光Ｌの共振器外部への取り出しは、キャビティダンピング機構２０’において、電気光学変調素子２１に電圧を印加し、第１の直線偏光Ｐ１のパルス光が電圧が印加された電気光学変調素子２１を往復することにより９０°回転されて第２の直線偏光Ｐ２となり、ダイクロイックミラー１７’で反射されることによりなされる。
【００５３】
本実施形態のレーザ装置２においても、第１の実施形態の装置１と同様に、小型で安定な共振器構成において、共振器中で周回しているパルス光を、共振器ミラー（ここでは、負分散ミラー）を介することなく、共振器外にとりだすことにより、非常に大きなパルスエネルギーの超短パルス光を得ることができる。
【００５４】
本実施形態の具体的な実施例を説明する。
負分散ミラー１１’として、共振器内側の凹面側に、-１００００ｆｓ2の負の群速度分散を有し、波長１０４５±１０ｎｍの光に対して反射率が９９．９％の高反射コーティングが施されており、平面側には、波長１０４５±１０ｎｍの光に対し透過率が９９．９％以上の反射防止コーティングが施されているものを用いた。凹面の曲率半径は５０ｍｍとした。このような負分散ミラー１１’を用いることで、ソリトンモード同期と呼ばれるモード同期形態を誘起することが可能であり、フェムト秒クラスの超短パルス光を得ることが可能となった。なお、負分散ミラー１１’はＳＥＳＡＭ１２の端面から約７０ｍｍの位置に配置した。
【００５５】
ＳＥＳＡＭ１２として、波長１０４５ｎｍの光に対し変調深さ（ΔＲ）が０．４％、不飽和損失（Ｒns）が０．２％、飽和フルーエンスが７０μＪ／ｃｍ2であるＢＡＴＯＰ社製のＳＥＳＡＭを用いた。
【００５６】
固体レーザ媒質１３として、Ｙｂ：ＫＹＷ結晶を用いた。両端面には、波長９８０±５ｎｍの光に対して透過率が９５％以上、波長１０４５±１０ｎｍの光に対して透過率が９９．９％以上である反射防止コーティングが施されている。Ｙｂ：ＫＹＷ結晶は、Ｎｄ：ＹＶＯ4結晶よりも広い発振帯域を有しており、フェムト秒クラスの超短パルス光を得ることが可能である。
【００５７】
半導体レーザ１４として、オプトエナジー社製の波長９８０ｎｍ、発光幅５０μｍ、最大出力２．５Ｗのものを使用した。すなわち本実施例において、励起光Ｌ０の中心波長は９８０ｎｍである。
【００５８】
セルフォックレンズ１５としては、長さ５．４ｍｍ、φ１．８ｍｍであり、両端面に９８０ｎｍに対する反射防止コーティングが施されているものを用いた。
【００５９】
ダイクロイックミラー１７’としては、励起光入射側の端面には４５°入射の波長９８０±５ｎｍの光に対して９５％以上の反射率、波長１０４５±１０ｎｍの光に対して９９．９％以上の透過率を有するダイクロイックコーティングが施されており、他方の端面１７ａに、波長１０４５±１０ｎｍのＰ偏光光（第１の直線偏光Ｐ１）に対し透過率が９９．９％以上であり、波長１０４５±１０ｎｍのＳ偏光光（第２の直線偏光Ｐ２）に対し反射率が９５％以上であるコーディングを施したものを用いた。
【００６０】
電気光学変調素子２１ａ、２１ｂとしては、第１の実施形態の実施例と同様に、厚み２ｍｍ、幅２ｍｍ、長さ７．５ｍｍのＳＢＮ結晶を用い、２つのＳＢＮ結晶を、互いの結晶軸（ａ軸）が直交するように、長さ方向が共振機軸方向となるように配置した。ただし、ＳＢＮ結晶２１ａ、２１ｂの共振器軸が直交する２ｍｍ×２ｍｍの端面には、波長１０４５±５ｎｍの光に対し透過率が９９．９％以上の反射防止コーティングが施されている。
【００６１】
本実施例において、ＳＢＮ結晶２１ａ、２１ｂには、高電圧パルス発生器３３からのパルス電圧が印加される。負分散ミラー１１’を透過したパルス光を高速ＰＩＮフォトディテクタ３０により電気信号に変換し、分周器(1/1000)３１によりその周波数を１／１０００の周波数に分周され、遅延器３２により遅延された電気信号は、タイミング信号として、高電圧パルス発生器３３に入力される。タイミング信号と同期した、高電圧パルス発生器３３からの高電圧パルス信号は、位相整合回路３４により、高電圧パルス発生器３３とＳＢＮ結晶２１ａ、２１ｂとの間の位相整合がなされた上で、ＳＢＮ結晶２１ａ、２１ｂに印加される。ＳＢＮ結晶２１ａ、２１ｂにより偏光が９０°回転したパルス光は、ダイクロイックミラー１７’により反射されて、共振器外部に取出される。
【００６２】
本構成のモード同期レーザ２によって、ＳＢＮ結晶が非駆動時において、繰返し周波数が１．６５ＧＨｚ、平均出力３０ｍＷ、パルスエネルギー０．０２ｎＪ、パルス幅５００ｆｓ、中心波長１０４５ｎｍの超短パルス光が負分散ミラー１１’を透過して出力された。
【００６３】
この負分散ミラー１１’を透過した超短パルス光をタイミング信号として使用し、ＳＢＮ結晶を駆動した場合、キャビティダンピング機構２０’により取り出された超短パルス光（ダイクロイックミラー１７’により反射された超短パルス光）は、繰返し周波数１．６５ＭＨｚ、平均出力３０ｍＷ、パルス幅５１０ｆｓ、パルスエネルギー１８ｎＪ、ピークパワー３６ｋＷであった。
【００６４】
なお、本発明のモード同期固体レーザ装置は、上記第１および第２の実施形態の装置構成に限定されるものではない。特に、キャビティダンピング機構を形成する光学部品については適宜、配置構成を偏光することができる。例えば、第１の実施形態において、電気光学変調素子２１は偏向素子２２より共振器ミラー１１側に配置されているが、偏向素子２２を電気光学変調素子２１よりも共振器ミラー１１側に配置するよう構成してもよい。その場合、電気光学変調素子２１は、パルス光の偏光を１回の通過で９０°回転させるように印加電圧、素子構成等を変更すればよい。
【符号の説明】
【００６５】
１、２ モード同期固体レーザ装置
１１   共振器ミラー
１１’ 負分散ミラー（負群速度分散補償素子）
１２   ＳＥＳＡＭ（可飽和吸収体）
１３   固体レーザ媒質
１４   半導体レーザ
１５   セルフォックレンズ
１６   励起光入射光学手段
１７   ダイクロイックミラー
１８   励起光学系
２０   キャビティダンピング機構
２１、２１ａ、２１ｂ  電気光学変調素子
２２   偏向素子（ビームディスプレイサー）
２３   反射ミラー
３０   フォトディテクタ
３１   分周期
３２   遅延器
３３   高電圧パルス発生器（電圧印加手段）
３４   位相整合回路
Ｌ     パルス光（発振光）
Ｌ０    励起光
Ｐ１、Ｐ２      直線偏光
【図１】
2010258198.tif 000003
【図２】
2010258198.tif 000004