(57)【要約】【課題】極短パルスレーザの共振器内に用いられる分散補償媒体として、ＧＴ干渉計ミラーは比較的コストの安い電子ビーム蒸着により作成される。イオンビームスパッターを用いて作製されるチャープミラーより安価である点に優位性がある。しかしながら、所定の負の群遅延分散を与える波長帯域が８０ｎｍの波長帯域では、３０ｆｓ程度以下のパルス幅を持つ極短パルスを発生させるためには不充分である。より短いパルス幅の発振をさせるために、群遅延分散の負の値を持つ帯域幅をさらに広げることが求められていた。【解決手段】本発明の分散補償媒体は、上面から２層目の低屈折率層の厚さが２ｌの第１のＧＴ干渉計ミラーが持つ群遅延分散の正のピーク位置に、上面から２層目の低屈折率層の厚さが４ｌの第２のＧＴ干渉計ミラーの群遅延分散の負のピーク位置が重なるようにして、第１のＧＴ干渉計ミラーおよび第２のＧＴ干渉計ミラーの２枚のミラーを対として使用することにより、必要な負の値を持つ群遅延分散の波長帯域幅を広げる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学ガラス基板上に、誘電体多層膜を積層した、２種類の異なるミラーの対からなり、発振器の共振器内において群遅延分散を補償する分散補償媒体において、
前記ミラーは、厚さｌで屈折率がｎｌの低屈折率層および厚さｈで屈折率がｎｈの高屈折率層が、前記基板面側からこの順で積層された組が、複数組繰り返し積層され、最上位置にある組の低屈折率層のみが２ｌ×Ｎ（Ｎは自然数）の厚さを有しており、前記分散補償媒体は、
前記最上位置にある前記組の低屈折率層において、Ｎ＝１である第１のミラーと、
前記最上位置にある前記組の低屈折率層において、Ｎ＝２であって、前記第１のミラーの群遅延分散特性における群遅延分散値の正のピーク値を取る波長に、その群遅延分散特性における群遅延分散値の負のピーク値を取る波長が一致するように構成された第２のミラーと
から構成され、
前記第１のミラーと前記第２のミラーとは、概ね平行に配置され、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間で、各々のミラーの対向面においてそれぞれ１回以上の反射が生じ、前記共振器内における往復光路を形成するように配置されていることを特徴とする分散補償媒体。
【請求項２】
前記ミラーは、ＧＴ（Gires-Tournois）干渉計であって、前記低屈折率層の厚さｌおよび前記高屈折率層の厚さｈは、前記基板に対する入射角をθ、基準波長をλとするとき、それぞれ、式
【数１】
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によって与えられることを特徴とする請求項１に記載の分散補償媒体。
【請求項３】
前記入射角は、０°より大きいことを特徴とする請求項２に記載の分散補償媒体。
【請求項４】
前記高屈折率層は、ＺｒＯ２：ＴｉＯ２＝９：１の混合物質であり、低屈折率層はＳｉＯ２であり、前記基板はＢＫ７ガラス基板であることを特徴とする請求項１に記載の分散補償媒体。
【請求項５】
前記第１のミラーおよび前記第２のミラーを、前共振器を構成する終端鏡として利用することを特徴とする請求項１に記載の分散補償媒体。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、測定装置または加工装置などに用いられる、パルスレーザ光源を構成する部品に関する。
【０００２】
測定装置または加工装置などにおいては、パルスレーザ光源が使用されている。パルスレーザ光源の１つとして、モード同期を使用する極短パルスレーザが知られている。極短パルスレーザは研究開発用途のツールとして非常に有用であり、また最近では、薬剤検査、精密加工などの産業利用にも検討されている。例えば、極短パルスレーザは、主にその非常に短い時間幅を生かし、物質中の電子応答や格子振動などの超高速で起こる物理現象を観測する研究に用いられている。また、極短パルスレーザは、熱の効果が現れる前に物質に非常に大きなエネルギーを瞬間的に与える特性を持ち、加工・医療などの分野においても広く研究されている。
【０００３】
フェムト秒レーザから発振されるパルスは、多数の波長の光から構成されている。モード同期技術により、それぞれの位相が揃えられるために数フェムト秒オーダーの極短パルスが実現されている。このようなモード同期技術を利用する場合、発振器内において、多数の波長の位相を整えるよう動作する分散補償媒体が利用されている。
【０００４】
極短パルスレーザの増幅媒体としては、例えば、Ｃｒ4+：ＹＡＧ単結晶が用いられてきた。この材料は発振波長域において正の群遅延分散を持っているので、透過する極短パルス光のパルス幅は広がってしまう。そのため、モード同期技術を利用した極短パルス光の時間幅を制限する要因の１つとして、共振器内の群速度分散制御が重要な技術課題となっている。
【０００５】
長さ２０ｍｍのＣｒ4+：ＹＡＧ単結晶は、適切にレーザ発振器が構成された場合に、波長１．５μｍ付近においてモード同期発振する能力を持つ。そのパルス幅を２００ｆｓ以下とするためには、ＹＡＧ結晶の持つ正の群遅延分散を補償できるように、共振器内に、負の群遅延分散を持った分散補償媒体が必要である。
【０００６】
極短パルスレーザに使用される分散補償媒体としては、例えば、非特許文献１の図２に示すようなチャープミラーの構造例がある。このチャープミラーは構造が複雑であって、その製造に精密さが求められるため、非常に高価なものであった。このため、極短パルスレーザ装置全体のコストを押し上げる要因となっていた。別の分散補償媒体の例としては、次に述べるＧＴ干渉計がある。
【０００７】
Ｃｒ4+：ＹＡＧ単結晶（２０ｍｍ、往復）の波長１．５０μｍに於ける群遅延分散は、＋４５４ｆｓ2と報告されている（非特許文献４）。したがって、分散補償媒体は−８００〜−１２００ｆｓ2の群遅延分散を持つ必要がある。共振器の光路１周回中に同種の２枚のミラーを挿入して、１つのミラー当たり２回ずつ反射することで、合計４回の反射が起こる構成する場合を想定する。このとき、ミラーでの１回の反射あたり、−２００〜−３００ｆｓ2の群遅延分散が必要となる。
【０００８】
図７は、従来技術の極短パルスレーザで使用される分散補償ミラーの構成を説明する図である。図７に示したミラー５０は、上面から順に、厚さｈの高屈折率層１００ａおよび厚さが２ｌのＮ(自然数〉倍の低屈折率層１００ｂがある。その下に厚さｈの第２の高屈折率層１００ｂと、厚さｌの第２の低屈折率層１０１ｂの組があり、同様の組が数〜１０数組（ｎ組）続き、基板１０２に至る構成を持つ。一般にこのような構成のミラーはGires-Tournois（ＧＴ）干渉計と呼ばれ、比較的低コストで実現可能であり、極短パルスレーザ共振器用分散補償媒体として利用されてきた（非特許文献２、非特許文献３）。
【０００９】
上述のように、ＧＴミラー５０は、例えば光学ガラス１０２基板上に、高屈折率ｎhの誘電体および低屈折率ｎlの誘電体の２種類を交互に積層してミラーを形成する。基準波長をλ、基板１０２の法線方向に対する入射角θに対して、それぞれ次式（１）のように２種の誘電体の基準厚さｈおよびｌを定める。
【００１０】
【数１】
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【００１１】
高屈折率層の基準厚さｈ、低屈折率層の基準厚さｌのいずれも、基準となる光の波長λの１／４の長さに対応する厚みとなる。
【００１２】
従来、パルスレーザ光源で用いられているＧＴ干渉計ミラーにおいて、上述の１回の反射あたり、−２００〜−３００ｆｓ2の群遅延分散の要請を満たすことのできる構成の設計例は、以下の通りである。高屈折率層にＺｒＯ2：ＴｉＯ2＝９：１の混合物質（ｎh＝２．１２）を用い、低屈折率層にＳｉＯ2（ｎl＝１．４６）を用いて、基準波長１５７０ｎｍ、Ｎ＝１、θ＝３０°、２つの層の繰り返しが１３組とし、基板としてＢＫ７ガラスを使用した。
【００１３】
図８は、上述の設計例で得られたＧＴミラーのｐ偏波に対する群遅延分散を示した図である。縦軸に屈折率および群遅延分散を示している。概ね、８０ｎｍの幅の波長帯域にわたって、−２００〜−３００ｆｓ2の範囲の群遅延分散が得られている。この波長帯域で、本ＧＴミラーは９９．７５％以上の反射率を有しており、発振器内に使用されるミラーとしての性能も充分である。この構成のＧＴ干渉計ミラーを２枚用いることで、５０ｆｓ程度のパルス幅が実現できる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Robert Szipocs and Kdrpdt Ferencz, "Chirped multilayer coatings for broadband dispersion control in femtosecond lasers", / Vol. 19, No. 3 / OPTICS LETTERS, February 1, 1994
【非特許文献２】Jurgen kuhl and Joachim Heppner, "Compression of femtosecond optical pulses width dielectric multilayer interferometers", IEEE Transactions on Quntum Electronics, vol. QE-22, no.1, p.182 (1986)
【非特許文献３】Heppner and J. kuhl, "Intracavity chirp compensation in a colliding pulse mode-locked laser using thin - film interferometers", Applied Physics Letters, vol. 47, p-453 (1985)
【非特許文献４】Yuzo Ishida and Kazunori Naganuma; "Characteristics of femtosecond pulses near1.5 μm in a self-mode-locked Cr4+:YAG laser", Optics Letters, vol. 19, no. 23, p. 2003 (1994)
【非特許文献５】Kazunori Naganuma, Kazuo Mogi, and Hajime Yamada, "Group-delay measurement using the Fourier transform of an interferometxic cross correlation generated by white light," Optics Letters. vol. 15, p. 393 (1990)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ＧＴ干渉計ミラーは比較的コストの安い電子ビーム蒸着により作製される。したがって、極短パルスレーザの分散補償媒体として、ＧＴ干渉計ミラーは、コストの高いイオンビームスパッターを用いて作製されるチャープミラーより安価である点に優位性がある。しかしながら、８０ｎｍの波長帯域では、３０ｆｓ程度以下のパルス幅を持つ極短パルスを発生させるためには不充分である。したがって、より短いパルス幅の発振をさせるためにさらに負の群遅延分散の帯域幅を広げることのできる分散補償媒体が必要である。
【００１６】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、３０ｆｓ程度以下のパルス幅を持つ極短パルスを発生させるために必要な、より広い波長帯域幅で負の群遅延分散を持つ、低コストの分散補償媒体を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明はこのような課題を解決するために、請求項１の発明は、光学ガラス基板上に、誘電体多層膜を積層した、２種類の異なるミラーの対からなり、発振器の共振器内において群遅延分散を補償する分散補償媒体において、前記ミラーは、厚さｌで屈折率がｎlの低屈折率層および厚さｈで屈折率がｎhの高屈折率層が、前記基板面側からこの順で積層された組が、複数組繰り返し積層され、最上位置にある組の低屈折率層のみが２ｌ×Ｎ（Ｎは自然数）の厚さを有しており、前記分散補償媒体は、前記最上位置にある前記組の低屈折率層において、Ｎ＝１である第１のミラーと、前記最上位置にある前記組の低屈折率層において、Ｎ＝２であって、前記第１のミラーの群遅延分散特性における群遅延分散値の正のピーク値を取る波長に、その群遅延分散特性における群遅延分散値の負のピーク値を取る波長が一致するように構成された第２のミラーとから構成され、前記第１のミラーと前記第２のミラーとは、概ね平行に配置され、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間で、各々のミラーの対向面においてそれぞれ１回以上の反射が生じ、前記共振器内における往復光路を形成するように配置されていることを特徴とする分散補償媒体である。
【００１８】
請求項２の発明は、請求項１の分散補償媒体であって、前記ミラーは、ＧＴ（Gires-Tournois）干渉計であって、前記低屈折率層の厚さｌおよび前記高屈折率層の厚さｈは、前記基板に対する入射角をθ、基準波長をλとするとき、それぞれ、式
【００１９】
【数２】
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【００２０】
によって与えられることを特徴とする。
【００２１】
請求項３の発明は、請求項２の分散補償媒体であって、前記入射角は、０°より大きいことを特徴とする。
【００２２】
請求項４の発明は、請求項１の分散補償媒体であって、前記高屈折率層は、ＺｒＯ2：ＴｉＯ2＝９：１の混合物質であり、低屈折率層はＳｉＯ2であり、前記基板はＢＫ７ガラス基板であることを特徴とする。
【００２３】
請求項５の発明は、請求項１の分散補償媒体であって、前記第１のミラーおよび前記第２のミラーを、それぞれ前共振器を構成する２つの終端鏡として利用することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように、本発明の分散補償媒体によって、従来技術の同種のＧＴ干渉計を用いた構成と比べて、より広い波長帯域幅で、３０ｆｓ程度以下のパルス幅を持つ極短パルスを発生させるために必要な負の群遅延分散を持つ分散補償媒体を、低コストのＧＴ干渉計を用いて提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明の分散補償媒体を含む極短パルスレーザ発振器の構成を示す概念図である。
【図２】図２は、本発明の分散補償媒体であるミラー対の構成を示す図である。
【図３】図３は、第１の構成のミラーの群遅延分散波長依存性の計算結果を示す図である。
【図４】図４は、第２の構成のミラーの群遅延分散波長依存性の計算結果を示す図である。
【図５】図５は、第１の構成のミラーと第２の構成のミラーを組み合わせた場合の群遅延分散波長依存性の計算結果を示す図である。
【図６】図６は、本発明の分散補償媒体の群遅廷分散を測定した結果である。
【図７】図７は、従来技術の極短パルスレーザで使用される分散補償ミラーの構成を説明する図である。
【図８】図８は、従来技術のＧＴミラーのｐ偏波に対する群遅延分散を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の分散補償媒体は、極短パルスレーザの発振器の光路内に置かれ、群遅延分散補償を行うために、負の群遅延分散を与える。上面から２層目の低屈折率層の厚さが２ｌの第１のＧＴ干渉計ミラーが持つ群遅延分散の正のピーク位置に、上面から２層目の低屈折率層の厚さが４ｌの第２のＧＴ干渉計ミラーの群遅延分散の負のピーク位置が重なるように各ミラーを構成して、第１のＧＴ干渉計ミラーおよび第２のＧＴ干渉計ミラーの２枚のミラーを対として使用することにより、必要な負の群遅延分散の波長帯域を広げる。
【００２７】
第１のＧＴ干渉計ミラーが持つ群遅延分散の正のピークの絶対量に対し、第２のＧＴ干渉計ミラーが持つ群遅延分散の負のピーク値の絶対値は大きい。群遅延は光パルスが干渉計内に留まる時間と関係があるため、２層目の厚みが大きいほど遅延も大きくなる。その結果群遅延の傾きである群遅延分散のピークも大きくなる。そのため、この２種類のミラーを対にして使用した場合、ミラー対全体の群遅延分散における負の値を持つ波長帯域幅は、ＧＴ干渉計ミラー単独で持つ負の群遅延分散の波長帯域幅よりも広がる。共振器の光路１周回中に同種の２枚のミラーを挿入して使用する場合と比べて、負の値の群遅延分散を持つ波長帯域幅を広げることができる。さらに、本発明の分散補償媒体を、共振器の往復光路の中に用いることで、極短パルスレーザ光源を構成することができる。尚、後述するが、使用する増幅媒体によっては、共振器を構成する２つのミラー（終端鏡）を本発明の分散補償体のミラー対で兼ねることもできる。
【００２８】
図１は、本発明の分散補償媒体を含む極短パルスレーザ発振器の構成を示す概念図である。極短パルスレーザ発振器１は、第１のミラー２および第２のミラー３の間に配置された増幅媒体７から構成される。励起光５が第２のミラー３の外部から入射され、発振出力光６は第１のミラー２から取り出される。本発明の分散補償媒体を構成する２つのミラー４ａ、４ｂのミラー対は、共振器を構成する２つのミラー２、３の間の光路中に置かれる。
【００２９】
図２は、本発明の分散補償媒体であるミラー対の構成を示す図である。ミラー対２０として、第１のＧＴ干渉計ミラー２１ａおよび第２のＧＴ干渉計ミラー２１ｂが、概ね平行に配置されている。図２に示すように、２つのミラー２１ａ、２１ｂの各々の端部近傍において、それぞれ２回ずつ反射して、図面上の水平方向に往復の光路が形成されるように、２つのミラーを配置する。すなわち、図面の右方向に進む光路２３−１、２３−２と、左方向に進む光路２２−１、２２−２とからなる往復光路は、共振器の内部に含まれる。
【００３０】
すなわち、本発明の分散補償媒体は、光学ガラス基板上に誘電体多層膜を積層した、２種類の異なるミラーの対からなり、発振器の共振器内において群遅延分散を補償する動作を行う。各々のミラーは、厚さｌで屈折率がｎlの低屈折率層および厚さｈで屈折率がｎhの高屈折率層が、基板面側から低屈折率層、高屈折率層の順で積層された組が、複数組繰り返し積層され、最上位置にある組の低屈折率層のみが２ｌ×Ｎ（Ｎは自然数）の厚さを有している。本発明の分散補償媒体は、最上位置にある組の低屈折率層において、Ｎ＝１である第１のミラーと、最上位置にある組の低屈折率層において、Ｎ＝２であって、第１のミラーの群遅延分散特性における群遅延分散値の正のピーク値を取る波長に、その群遅延分散特性における群遅延分散値の負のピーク値を取る波長が一致するように構成された第２のミラーとから構成される。そして、第１のミラーと第２のミラーとは、概ね平行に配置され、第１のミラーと第２のミラーとの間で、各々のミラーの対向面においてそれぞれ２回以上の反射が生じ、共振器内における往復光路を形成するように配置されている。以下、より具体的な実施例について説明する。
【実施例１】
【００３１】
以下、Ｃｒ4+：ＹＡＧ単結晶（長さ２０ｍｍ）を増幅媒体とする極短パルスレーザに使用する分散補償媒体について記述する。第１の構成のミラーとして、図７の構成における高屈折率層にＺｒＯ2：ＴｉＯ2＝９：１の混合物質（ｎh＝２．１２）を用い、低屈折率層にＳｉＯ2（ｎl＝１．４６）を用いた。基準波長λを１５３０ｎｍ、Ｎ＝１（第１の低屈折率層の係数）、θ＝３°、ｐ偏光、２つの層の繰り返しが１３組、ＢＫ７ガラス基板の場合を考える。
【００３２】
図３は、第１の構成のミラーの群遅延分散波長依存性の計算結果を示す図である。波長が１５７０ｎｍ近傍において、群遅延分散は、正の値のピークを取る。極短パルスレーザ共振器で使用するために、分散補償媒体には、ある程度の量の負の値の群遅延分散が要求される。負の値の群遅延分散を持つ条件を満たす波長帯域を、第１の構成のミラー２１ａの単体よりさらに広げるために、第２の構成のミラー２１ｂを加える。
【００３３】
第１の構成のミラー２１ａが、正の分散となっている波長域（正のピーク位置）に、絶対値のより大きい負の群遅延分散を持つ第２の構成のＧＴ干渉計ミラー２１ｂの負のピーク位置が重なるように各ＧＴミラーを構成して、２枚のミラーの全体として、必要な負の群遅延分散量を備えた波長帯域を確保する。上述の第１の構成ミラー２１ａに対応する第２の構成のミラー２２ｂは、基準波長λ＝１６００ｎｍ、Ｎ＝２（第１の低屈折率層の係数）、θ＝３°（入射角）、ｐ偏光、２つの層の繰り返しが１３組、ＢＫ７ガラス基板とした。
【００３４】
図４は、第２の構成のミラーの群遅延分散の波長依存性の計算結果を示す図である。第２の構成のミラーは、第１の構成のミラーが正の群遅延分散のピークを持っている１５７０ｎｍ付近で、負のピークの群遅延分散を持っている。
【００３５】
図５は、第１の構成のミラーと第２の構成のミラーを組み合わせた場合の群遅延分散波長依存性の計算結果を示す図である。図３に示した第１のミラー単独の場合と比べて、負の群遅延分散を持つ波長帯域が広がっていることがわかる。２種類のミラーでそれぞれ２回ずつ反射する共振器構成において、２種類のミラーの組み合わせ（ミラー対）に対して、パルス幅が２００ｆｓ以下の極短パルスを発生させるのに必要な負の群遅延分散は、概ね−４００〜−６００ｆｓ2である。図５においては、−４００ｆｓ2以下となる群遅延分散が１１０ｎｍ以上の波長帯域にわたって得られていることがわかる。幅１１０ｎｍの帯域における２つのミラーの１回の反射の場合、反射率も９９．５％以上となり、レーザ発振器での使用のためには実用上充分な反射率である。
【００３６】
図６は、本発明の分散補償媒体の群遅廷分散を測定した結果である。第１の構成のミラーおよび第２の構成のミラーをそれぞれ電子ビーム蒸着により作製し、フーリエ変換相互干渉法（非特許文献５）で群遅廷分散を測定した結果である。第１の構成のミラー、第２の構成のミラーの各測定値および２つのミラーの合計の群遅廷分散を示している。２つのミラーの合計の群遅延分散は、設計どおり、１２０ｎｍの波長帯域幅の範囲で概ね−４００〜−６００ｆｓ2の群遅廷分散が実現できている。図８に示したような、従来技術の同種のＧＴ干渉計を単に組み合わせるだけの構成よりも、５０％程度広い波長帯域で必要な負の群遅延分散を得ている。
【００３７】
上述の実施例では、Ｃｒ4+：ＹＡＧ単結晶（長さ２０ｍｍ）を増幅媒体としており、２つのミラーの間における反射回数は、１つのミラー当たり２回の場合を示している。しかしながら、Ｃｒ4+：ＹＡＧ単結晶（長さ１０ｍｍ）を増幅媒体とする場合は反射回数１回とすべきであり、Ｃｒ4+：ＹＡＧ単結晶（長さ３０ｍｍ以上）を増幅媒体とする場合は反射回数を３回以上とするべきである。増幅媒体７は、Ｃｒ4+：ＹＡＧ単結晶に限らないが、その群速度分散に合わせ反射回数を選べば良い。また、図１に示したミラー対の場合、光路を確保するために、入射角は０°よりも大きい必要がある。
【００３８】
増幅媒体７としてＣｒ4+：ＹＡＧ単結晶（長さ５ｍｍ）と同程度の群速度分散を持つ物質を使用する場合、共振器を構成する２つのミラー（終端鏡）を本発明の分散補償体のミラー対で兼ねることもできる。すなわち、図１に示した極短パルスレーザ発振器において、共振器を構成するためのミラー２およびミラー３として、第２の構成のミラー４ｂおよび第１の構成のミラー４ａをそれぞれ使用して、極短パルスレーザを構成することもできる。
【００３９】
以上詳細に述べたように、本発明の分散補償媒体は、従来技術の同種のＧＴ干渉計を用いた構成と比べて、より広い波長帯域幅で、３０ｆｓ程度以下のパルス幅を持つ極短パルスを発生させるために必要な負の群遅延分散を持つ分散補償媒体を、低コストのＧＴ干渉計を用いて提供することができる。本発明の分散補償媒体を用いることで、極短パルスレーザ光源を構成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、電子光学装置、特にパルスレーザ光源に利用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１  極短パルスレーザ
２、３、  ミラー
４ａ、４ｂ、２１ａ、２１ｂ、５０  ＧＴ干渉計ミラー
５  励起光
６  発振出力光
７  増幅媒体
１００ａ、１００ｂ、１００ｎ  高屈折率層
１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｎ  低屈折率層
１０２  基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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