(57)【要約】【課題】パルスの平均エネルギーが高く、かつ繰り返し周波数が高い超短パルスのレーザー光を発する。【解決手段】レーザー光取り込み鏡１３とレーザー光取り出し鏡１４との間の光路（光路長Ｌ）に光が閉じこめられ、その間において、Ｔｈｉｎ−Ｄｉｓｋレーザー媒質１１によって増幅が行われる。繰り返しレーザー光２０がその入射光として用いられる。この際、光路長Ｌを特定の値に設定することによって、繰り返しレーザー光２０における繰り返し周波数を維持した状態で、電場干渉の効果によってその平均強度を高め、出力レーザー光１００として出力する。この場合の光路長Ｌにおいては整数倍の任意性があるため、大きな値を適宜設定することができる。【選択図】図１
2014096445.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定の周期をもつパルス状の繰り返しレーザー光を、前記周期を維持した状態で増幅して出力するレーザー装置であって、
レーザー光取り込み鏡とレーザー光取り出し鏡の間で定められた光路中にレーザー媒質を備え、前記レーザー光取り込み鏡を透過してレーザー光が前記光路に入射し、前記レーザー取り込み鏡を透過して、前記光路中で増幅されたレーザー光が出力される構成を具備する共振器を具備し、
前記繰り返しレーザー光の縦モード間隔が、前記共振器の光路長で定められる縦モード間隔のＭ倍（ここで、Ｍは２以上の整数）とされ、前記繰り返しレーザー光が前記レーザー光取り込み鏡を透過して前記共振器の前記光路に入射する設定とされたことを特徴とするレーザー装置。
【請求項２】
前記繰り返しレーザー光は、モード同期共振器で生成され、
前記共振器における前記光路長は、前記モード同期共振器における光路長のＭ倍とされたことを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
【請求項３】
前記レーザー媒質は、放熱板の上に反射層を介して接合された薄板状のレーザー媒質であることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザー装置。
【請求項４】
前記共振器における前記レーザー媒質が設置された雰囲気、及び／又は前記レーザー媒質と逆の分散特性をもつ補償用素子が、前記共振器における前記光路中に設けられたことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のレーザー装置。
【請求項５】
複数の前記共振器が用いられ、前段の前記共振器から出力されたレーザー光が後段の前記共振器に入射するように、複数の前記共振器が接続された構成を具備することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のレーザー装置。
【請求項６】
一定の周期をもつパルス状の繰り返しレーザー光を、前記周期を維持した状態で増幅して出力するレーザー光増幅方法であって、
前記繰り返しレーザー光の縦モード間隔がその光路長で定められる縦モード間隔のＭ倍（ここで、Ｍは２以上の整数）とされるように構成された共振器に、前記繰り返しレーザー光を入射させることを特徴とするレーザー光増幅方法。
【請求項７】
前記共振器における光路中に、放熱板の上に反射層を介して接合された薄板状のレーザー媒質を設けることを特徴とする請求項６に記載のレーザー光増幅方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高繰り返し性を備えた超短パルスレーザーを発振するレーザー装置、レーザー光増幅方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、核融合、各種のレーザー加工、超高電界を用いた各種の物理実験等において、極短い時間内において極めて高い強度をもつ超短パルスレーザー光が広く用いられている。こうした用途においては、超短パルスレーザー光が安定して繰り返して発振されることが要求される。例えば、このような超短パルスレーザー光を特許文献１に記載される高光電磁場発生器において使用すれば、Ｘ線、γ線等を発生させることも可能である。
【０００３】
このような超短パルスレーザー光を発振、増幅する際には、レーザー媒質において極短時間に大熱量が発生し、この熱に起因して熱レンズ効果等の問題が発生し、安定して超短パルスレーザー光を発振することが困難になるという問題がある。こうした問題に対しては、Ｔｈｉｎ−Ｄｉｓｋ（薄板）レーザー装置が有効であることが知られている。Ｔｈｉｎ−Ｄｉｓｋレーザー装置においては、例えば厚さ数百μｍ程度の薄板状のレーザー媒質（Ｔｈｉｎ−Ｄｉｓｋレーザー媒質）が反射層を介して放熱板に接合される。このレーザー媒質に注入レーザー光とポンプ光とが入射する設定とされ、注入レーザー光が高出力の超短パルスレーザー光となって出力される。レーザー媒質としては、例えばＹｂ：ＹＡＧ結晶を用いることができる。この形態においては、レーザー媒質からの放熱効率が極めて高くなるため、レーザー媒質の発熱に起因する問題を解決することができる。
【０００４】
例えば、非特許文献１には、Ｔｈｉｎ−Ｄｉｓｋレーザー媒質を用いた、１４１Ｗの平均出力、パルス幅７３８ｆｓ、６０ＭＨｚの高繰り返し特性をもつレーザー装置が記載されている。図５は、このレーザー装置において用いられる共振器（モード同期共振器）の構成を模式的に示す図である。この共振器９０においては、Ｔｈｉｎ−Ｄｉｓｋレーザー媒質９１が、反射層（図示せず）を介して放熱板９２に接合されている。Ｔｈｉｎ−Ｄｉｓｋレーザー媒質９１は、過飽和吸収鏡９３とレーザー光取り出し鏡９４の間で定められた光路中に設けられ、この光路において光が増幅され、レーザー光として発振される。レーザー光取り出し鏡９４は、一定の反射率、透過率をもち、レーザー光取り出し鏡９４で反射された光は共振器９０内で発振状態を維持する形で増幅されて高強度となり、超短パルスのレーザー光９００となって、レーザー光取り出し鏡９４を透過して出力される。なお、Ｔｈｉｎ−Ｄｉｓｋレーザー媒質９１には、増幅される光と異なる光軸で増幅のためのポンプ光も入射する設定とされるが、ポンプ光及びこのために用いられる光学系については記載は省略されている。
【０００５】
この共振器９０における光路中で存在しうる波長、位相をもつ複数のモードの光を混在させ、これらが重ね合わせられることによって、これらのうちの特定の位相の成分のみの電界を特にパルス状に高強度とすることができる。これによって、超短パルスのレーザー光を発振することができる。これは、超短パルスを生成するモード同期として知られている。図６は、モード同期の原理を模式的に示す図である。図６上側に示された３つの曲線は、入射側鏡（過飽和反射鏡９３）と出射側鏡（レーザー光取り出し鏡９４）の間の光路（光路長Ｌ０）に存在する３つのモードの光の電界を示している。この場合、図６下側に示されるように中央部の電界強度が特に高くなるため、これに対応した超短パルスのレーザー光９００が得られる。この場合、光がこの光路を１往復する時間２Ｌ０／ｃ（ｃは光速）の間隔のパルス列が得られる。この場合、この共振器９０における定常波の周波数の間隔（縦モード間隔）は、ｃ／２Ｌ０となる。この繰り返し周波数を高めるためには、光路長Ｌ０を短くする、すなわち、この共振器９０を小型化することが必要となる。
【０００６】
この構成においては、過飽和吸収鏡（過飽和吸収体）９３が用いられている。過飽和吸収鏡９３は、高強度の光は反射するが、低強度の光は吸収する性質をもつ。この過飽和吸収鏡９３に図７の実線で示された波形の強度をもつパルス光を入射させた場合、破線で示されたような波形のパルス光となって反射される。このため、過飽和吸収鏡９３を反射鏡として用いた場合には、レーザー光９００を更に短パルス化することができ、図６のモード同期の効果を高めることができる。
【０００７】
共振器９０内において分散等の非線形効果が発生した場合、パルス幅が伸張し、超短パルスを生成することが困難になる。こうした非線形効果は、図５の構成においては、Ｔｈｉｎ−Ｄｉｓｋレーザー媒質９１と、この共振器９０内の雰囲気が大気（空気）である場合には空気によって発生する。これらの影響を補償するため、これらと逆の分散特性をもつ補償用素子９５もこの光路中に設けられている。こうした特性をもつ補償用素子９５としては、例えば多層膜構造を備えたチャープミラーを用いることができる。前記の通り、光路長Ｌ０には制限があるために、共振器９０を大型化してＬ０を大きくすることは好ましくないが、図５の構成において薄型のＴｈｉｎ−Ｄｉｓｋレーザー媒質９１を用いた場合には、限られた光路長Ｌ０をもつ共振器９０内にこのような補償用素子９５を設けるスペースを設けることができる。このように、超短パルスを発するレーザー装置においては、Ｔｈｉｎ−Ｄｉｓｋレーザー媒質９１は特に有効である。
【０００８】
上記の構成によって、超短パルスレーザーの良好な発振特性をもつレーザ装置を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１０−１８６９７８号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】「Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ  Ｔｈｉｎ−Ｄｉｓｋ  Ｌａｓｅｒ  ｗｉｔｈ  １４１Ｗ  ｏｆ  Ａｖｅｒａｇｅ  Ｐｏｗｅｒ」、Ｃ．Ｒ．Ｅ．Ｂａｅｒ、Ｃ．Ｋｒａｎｋｅｌ、Ｃ．Ｊ．Ｓａｒａｃｅｎｏ、Ｏ．Ｈ．Ｈｅｃｋｌ、Ｍ．Ｇｏｌｌｉｎｇ、Ｒ．Ｐｅｔｅｒｓ、Ｋ．Ｐｅｔｅｒｍａｎｎ、Ｔ．Ｓｕｄｍｅｙｅｒ、Ｇ．Ｈｕｂｅｒ、ａｎｄ  Ｕ．Ｋｅｌｌｅｒ、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．１３、Ｎｏ．１３、ｐ２３０２（２０１０年）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
超短パルスレーザーを上記の各種の用途に用いるためには、単位パルスあたりのエネルギーが高いことが要求される。この点において、非特許文献１に記載のレーザー装置における平均出力１４１Ｗという値は充分ではない。この平均出力の上限は、レーザー光の吸収による過飽和吸収鏡９３の発熱及びパルス状のレーザーエネルギーに由来するその破壊限界等によって定まる。すなわち、平均出力を高めるためには、レーザー装置の放熱効率を高め、かつ破壊限界の高い光学素子を用いることが必要である。
【００１２】
一方で、パルスの繰り返し周波数が高いことも要求され、この構成で繰り返し周波数を高めるためには、前記の通り、共振器を小型化して光路長Ｌ０を短くすることが必要となる。しかしながら、光路長Ｌ０を短く保った状態で放熱効率を高める機構を設けることは困難である。このため、上記の構成で平均出力を高めた場合には、充分な繰り返し周波数を得ることはできず、例えば数百ＭＨｚを超える繰り返し周波数を得ることは困難であった。
【００１３】
すなわち、パルスの平均エネルギーが高く、かつ繰り返し周波数が高い超短パルスのレーザー光を発するレーザー装置を得ることは困難であった。
【００１４】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明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】
【００１５】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明のレーザー装置は、一定の周期をもつパルス状の繰り返しレーザー光を、前記周期を維持した状態で増幅して出力するレーザー装置であって、レーザー光取り込み鏡とレーザー光取り出し鏡の間で定められた光路中にレーザー媒質を備え、前記レーザー光取り込み鏡を透過してレーザー光が前記光路に入射し、前記レーザー取り込み鏡を透過して、前記光路中で増幅されたレーザー光が出力される構成を具備する共振器を具備し、前記繰り返しレーザー光の縦モード間隔が、前記共振器の光路長で定められる縦モード間隔のＭ倍（ここで、Ｍは２以上の整数）とされ、前記繰り返しレーザー光が前記レーザー光取り込み鏡を透過して前記共振器の前記光路に入射する設定とされたことを特徴とする。
本発明のレーザー装置において、前記繰り返しレーザー光は、モード同期共振器で生成され、前記共振器における前記光路長は、前記モード同期共振器における光路長のＭ倍とされたことを特徴とする。
本発明のレーザー装置において、前記レーザー媒質は、放熱板の上に反射層を介して接合された薄板状のレーザー媒質であることを特徴とする。
本発明のレーザー装置は、前記共振器における前記レーザー媒質が設置された雰囲気、及び／又は前記レーザー媒質と逆の分散特性をもつ補償用素子が、前記共振器における前記光路中に設けられたことを特徴とする。
本発明のレーザー装置は、複数の前記共振器が用いられ、前段の前記共振器から出力されたレーザー光が後段の前記共振器に入射するように、複数の前記共振器が接続された構成を具備することを特徴とする。
本発明のレーザー光増幅方法は、一定の周期をもつパルス状の繰り返しレーザー光を、前記周期を維持した状態で増幅して出力するレーザー光増幅方法であって、前記繰り返しレーザー光の縦モード間隔がその光路長で定められる縦モード間隔のＭ倍（ここで、Ｍは２以上の整数）とされるように構成された共振器に、前記繰り返しレーザー光を入射させることを特徴とする。
本発明のレーザー光増幅方法は、前記共振器における光路中に、放熱板の上に反射層を介して接合された薄板状のレーザー媒質を設けることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は以上のように構成されているので、パルスの平均エネルギーが高く、かつ繰り返し周波数が高い超短パルスのレーザー光を発することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るレーザー装置（共振器）の構成の概要を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るレーザー装置（共振器）において、電場干渉の計算を行なう際の前提条件を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るレーザー装置（共振器）における電場干渉の状況を模式的に示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係るレーザー装置の構成の概要を示す図である。
【図５】モード同期共振器の一例の構成を示す図である。
【図６】モード同期の原理を模式的に示す図である。
【図７】過飽和吸収鏡の作用を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（第１の実施の形態）
以下、本発明の実施の形態に係るレーザー装置、レーザー光増幅方法について説明する。このレーザー装置は、以下に説明する形態の共振器を具備する。第１の実施の形態として、この共振器を１個（１段）のみ使用した例について説明する。
【００１９】
図１は、このレーザー装置に用いられる共振器１０の構成を示す図である。このレーザー装置は、１個の共振器１０のみによって構成される。この共振器１０においても、図５の共振器９０と同様に、Ｔｈｉｎ−Ｄｉｓｋレーザー媒質１１が反射層（図示せず）を介して放熱板１２に接合されて使用されている。このＴｈｉｎ−Ｄｉｓｋレーザー媒質１１は、レーザー光取り込み鏡１３、レーザー光取り出し鏡１４の間で定められた光路中に設けられる。また、レーザー光取り込み鏡１３とレーザー光取り出し鏡１４との間の光路中には、補償用素子１５も設けられる。
【００２０】
ここで、Ｔｈｉｎ−Ｄｉｓｋレーザー媒質１１、レーザー光取り出し鏡１４、補償用素子１５については、図５の共振器９０におけるものと同様である。
【００２１】
レーザー光取り込み鏡１３は、前記の過飽和吸収鏡９３とは異なり、この共振器１０の外部から内部に、レーザー光取り込み鏡１３を介して繰り返しレーザー光２０を入射させ、共振器１０内の光路に導くように設定される。ただし、レーザー光取り込み鏡１３は、共振器１０の内部からは反射鏡として機能するため、図６における入射側鏡と同様にも機能する。
【００２２】
繰り返しレーザー光２０は、一定の周波数で超短パルスを発するレーザー光であり、この共振器１０で増幅されるレーザー光である。この光は、例えば図５の構成の共振器（モード同期共振器）９０で発せられたレーザー光９００を用いることができる。すなわち、この共振器１０は、ある一定の周期（波数）をもつパルス状の繰り返しレーザー光２０を増幅して出力レーザー光１００としてレーザー光取り出し鏡１４から出力する。
【００２３】
この共振器１０においても、共振器９０と同様に、レーザー光取り込み鏡１３とレーザー光取り出し鏡１４との間の光路（光路長Ｌ）に光が閉じこめられ、その間において、Ｔｈｉｎ−Ｄｉｓｋレーザー媒質１１によって増幅が行われる。すなわち、この共振器１０も前記の共振器９０と同様の構成をもつが、繰り返しレーザー光２０がその入射光として用いられる点が異なる。この際、光路長Ｌを特定の値に設定することによって、繰り返しレーザー光２０における繰り返し周波数を維持した状態で、電場干渉の効果によってその平均強度を高め、出力レーザー光１００として出力する。前記の共振器（モード同期共振器）９０においては、その中の光路長Ｌ０でパルスの周波数が定まったのに対し、この場合の光路長Ｌにおいては整数倍の任意性があるため、Ｌ０よりも大きな値を適宜設定することができる。このため、共振器１０の大きさは、他の構成要素、例えば補償用素子１５等に応じて適宜設定することができる。
【００２４】
以下、この共振器１０において電場干渉によってレーザー光の強度が高まる原理について説明する。この共振器１０においてレーザー光取り込み鏡１３とレーザー光取り出し鏡１４との間において閉じこめられる光の電界について算出した。図２は、この計算において用いた条件を示している。ここで、入射光（繰り返しレーザー光２０）の電界は図２におけるＥｉｎであり、レーザー光取り込み鏡１３における反射波の電界をＥｒ、透過波の電界をＥａ、レーザー光取り出し鏡１４からの反射波の電界をＥｂ、レーザー光取り出し鏡１４における透過光の電界をＥｔ、波数をｋとする。また、レーザー光取り込み鏡１３の複素反射率、複素透過率をそれぞれρｆ、τｆ（反射率Ｒｆ＝｜ρｆ｜２、透過率Ｔｆ＝｜τｆ｜２）とし、レーザー光取り出し鏡１４の複素反射率、複素透過率をそれぞれρr、τr（反射率Ｒr＝｜ρr｜２、透過率Ｔr＝｜τr｜２）とする。この場合、Ｅａ、Ｅｂ、Ｅｒ、Ｅｔは、それぞれ以下の（１）〜（４）式の通りとなる。
【００２５】
【数１】
2014096445.tif 000003
【００２６】
これにより、共振器１０における光路長Ｌ中において蓄積されるパワーＩａは、以下の（５）式の通りとなる。
【００２７】
【数２】
2014096445.tif 000004
【００２８】
ここで、入射パワーＩｉｎ＝｜Ｅｉｎ｜２である。このため、ｋＬ＝Ｎπ（Ｎは整数）の場合において、Ｉａは以下の（６）式で表される最大値をとる。
【００２９】
【数３】
2014096445.tif 000005
【００３０】
すなわち、Ｌ＝Ｎπ／ｋ（Ｎは整数）と設定することにより、光をレーザー光取り込み鏡１３とレーザー光取り出し鏡１４との間に閉じこめ、強度を高めることができる。この条件は、物理的には、入射する繰り返しレーザー光２０の縦モード間隔を、この共振器１０において光路長Ｌで規定された共振器の縦モード間隔と整合させることに対応する。ただし、ここでは、上記のＮの分だけ任意性があり、（６）式のＩａの値はＮに依存しない。具体的には、前者の縦モード間隔が後者の縦モード間隔のＭ倍（Ｍ：整数）となっていれば、この条件は満たされる。例えば、前記の共振器９０（光路長Ｌ０）から発振される繰り返しレーザー光２０を用いた場合には、この共振器１０における光路長ＬはＬ０のＭ倍とすればよい。
【００３１】
図３は、この状況を模式的に示す図である。図３（ａ）においては上記の条件が成立していない場合における共振器１０内の繰り返しレーザー光２０の重ね合わせの状態を示し、図３（ｂ）においては上記の条件が成立した場合（Ｍ＝４）の場合の状態を模式的に示している。上記の条件が成立する場合には、繰り返し周波数が保たれた状態でパルス強度を高めることができる。
【００３２】
この際、繰り返しレーザー光２０における各パルスがそのまま増幅されるため、その繰り返し周波数は増幅の前後で変化しない。一方、Ｍ（Ｌ）を大きく設定することによって、例えば補償用素子１５等を内部に設けることも容易である。このため、高強度の超短パルスレーザー光を、高い繰り返し周波数で発振させることができる。
【００３３】
例えば、入射する繰り返しレーザー光２０として、平均出力が１００Ｗ、繰り返し周波数が３００ＭＨｚのものを用い、Ｒｆ＝９５％、Ｔｆ＝５％、Ｒｆ＝９０％とし、Ｍ＝５とした場合、（６）式より、Ｉａ=９００Ｗの出力が得られる。ここで、Ｔｈｉｎ−Ｄｉｓｋレーザー媒質１１による利得を１．１４倍とした場合、この利得が加わるためＩａ=３２ｋＷの出力を内部で得ることができる。
【００３４】
この光を、レーザー光取り出し鏡１４から抽出した場合の出力Ｉｔは、以下の（７）式で表される。
【００３５】
【数４】
2014096445.tif 000006
【００３６】
レーザー光取り出し鏡１４の透過率Ｔｒ＝１０％とすると、Ｉｔ＝３．２ｋＷの出力が得られる。すなわち、高い繰り返し周波数を保ったまま高出力の超短パルス光を得ることができる。
【００３７】
以上の構成においては、Ｔｈｉｎ−Ｄｉｓｋレーザー媒質１１を用いることによって、放熱効率を高めることができることは前記の通りであるが、超短パルス化を図るという点でもＴｈｉｎ−Ｄｉｓｋレーザー媒質１１を用いることは有効である。
【００３８】
低いジッター（位相雑音）のパルスを得るには、レーザーのピークパワーの変動に対して、共振器１０における光路中における分散（非線形効果）を低減することが必要である。ここで、光路上における屈折率ｎは、光路上における座標ｌの関数となり、以下の（８）式で表すことができる。ここで、Ｉはレーザー強度、Ｐはレーザーのピーク出力、Ｓはビームの断面積、ｎ２は媒質の非線形屈折係数である。Ｐ以外の変数は、光路上における座標ｌの関数となる。
【００３９】
【数５】
2014096445.tif 000007
【００４０】
前記の光路長Ｌは、正確には単純な光路長ではなく、（９）式のように屈折率ｎを光路上で積分した値Ｌ’となる。
【００４１】
【数６】
2014096445.tif 000008
【００４２】
ここで、前記のｎを用いると、Ｌ’は、（１０）式の通りとなる。
【００４３】
【数７】
2014096445.tif 000009
【００４４】
（１０）式において、第１項は非線形効果を含まない不変量である。このため、第２項を小さくすることが、非線形効果を抑制し、ジッターの低い短パルスを発生させるために必要となる。第２項におけるＰはピーク出力であるため、同じ平均出力を取り出す場合においては、繰り返し周波数を高めることで小さくできることは明らかである。第２項の積分値は、対象となる光路長（非線形効果が発生する光路長）を短くすることによって、小さくすることができる。この点において、雰囲気の寄与が無視できる場合、厚さが数１００μｍ程度と薄く、光路長Ｌ’に占める割合の低いＴｈｉｎ−Ｄｉｓｋレーザー媒質１１を用いることは、有効である。
【００４５】
また、Ｍを大きく、例えばＭ≧２とすることによって、Ｌ（Ｌ’）を大きくすることができるため、Ｔｈｉｎ−Ｄｉｓｋレーザー媒質１１が光路長Ｌ’において占める割合を小さくすることにより、その非線形効果の悪影響をより低減することができる。また、補償用素子１５を光路中に設けることも容易となる。ただし、雰囲気及びレーザー媒質による非線形効果を含む分散が無視できる場合には、補償用素子１５は不要である。
【００４６】
以上の構成により、上記の共振器１０を用いて、パルスの平均エネルギーが高く、かつ繰り返し周波数が高い超短パルスのレーザー光を発振することができる。この際、入力となる繰り返しレーザー光２０において、繰り返し周波数は高いが平均エネルギーが低い超短パルスレーザー光を用いることができ、これを増幅することができる。例えば、特許文献１に記載された高光電磁場発生器において使用された１０Ｗ級のメガヘルツピコ秒グリーンパルスを繰り返しレーザー光２０として用い、これを増幅することができる。この際、上記の通り、非線形効果をレーザー媒質や雰囲気による非線形効果の影響を低減することができるため、パルス幅を狭く保つことができ、ノイズ（位相雑音）も低減する。
【００４７】
この際、図５の共振器（モード同期共振器）９０と異なり、吸収量が大きくなるために熱の影響が大きい過飽和吸収体（過飽和吸収鏡）は使用されないため、最終的に得られる出力レーザー光１００の平均エネルギーをより高くすることができ、例えばＴＷ級の出力も得ることができる。あるいは、熱によって劣化が発生する過飽和吸収鏡が用いられないため、このレーザー装置は長寿命となる。また、非線形効果が充分抑制され、補償用素子１５（チャープミラー等）が用いられない場合には、この劣化も考慮する必要がないため、更に長寿命となる。
【００４８】
また、入力となる繰り返しレーザー光２０の周期を変化させた場合には、これに応じて共振器１０の光路長Ｌを変える必要があるが、これは、例えばレーザー光取り出し鏡１４の位置を圧電アクチュエータ等で変動させることができる構成とすることによって、容易に行うことができる。
【００４９】
また、上記の例では、繰り返しレーザー光２０が、上記の共振器１０と類似した構成をもつ共振器（モード同期共振器）９０で発振されたものとしたが、他の構成によって発振された超短パルスレーザー光でも、同様に用いることができることも明らかである。この場合においても、入力される超短パルスレーザー光の縦モード間隔と、上記の共振器１０における縦モード間隔とを、上記と同様の関係とすることによって、同様にこの超短パルスレーザー光を増幅することができる。
【００５０】
（第２の実施の形態）
また、上記の共振器を多段結合することもできる。第２の実施の形態に係るレーザー装置においては、上記の共振器が２段階に直列接続されている。図４は、この構成の一例である。ここでは、上記の共振器１０と同様の構成の共振器１１０から出力される出力レーザー光１２０が、やはり上記の共振器１０と同様の構成をもつもう一つの共振器１３０の入力光として用いられ、出力レーザー光１４０として出力される。この場合、入力された繰り返しレーザー光２０は、共振器１１０、１３０で２段階に増幅される。共振器１１０、１３０の両方において、その縦モード間隔は、繰り返しレーザー光２０の縦モード間隔の整数倍となっているものとする。ただし、前記のＭの値は、共振器１１０、１３０でそれぞれＭ１、Ｍ２（Ｍ１、Ｍ２は正の整数）と個別に設定されるが、Ｍ１＝Ｍ２である必要はない。すなわち、共振器１１０、１３０における光路長は同一である必要はない。
【００５１】
図４の構成において、例えば共振器１３０から出力される出力レーザー光１４０の平均パワーを図１の構成における共振器１０から出力される出力レーザー光１００と同等とする場合、共振器１１０、１３０の各々による増幅率は、図１の構成の共振器１０よりも低くなる。この調整は、レーザー光取り込み鏡１３とレーザー光取り出し鏡１４の透過率を高めることによって実現することができる。
【００５２】
このため、共振器１１０、１３０の各々において蓄積されるパワーＩａを、図１の構成における共振器１０において蓄積されるパワーＩａよりも低下させることができる。前記の通り、非線形効果は、Ｉａが高いほど顕著になるため、図４の構成においては、非線形効果は低減する。特に、Ｉａが高くなる後段の共振器１３０においては非線形効果の影響が大きくなりやすいのに対し、Ｉａを低下させることによって、この影響を低減することができる。
【００５３】
すなわち、上記の共振器１０を直列に接続することによって、非線形効果を抑制するという点で特に顕著な効果を奏する。これによって、良質の超短パルスレーザー光を得ることができる。図４の例では上記の共振器１０を２段階直列に接続したが、これを３段階以上同様に接続することも可能である。この場合、Ｍ（光路長）の設定は、各々で独立に行うことが可能である。このため、補償用素子１５や、光路自体の構成等は、各共振器毎に設定することができる。
【００５４】
また、このように共振器を複数用いることによって、レーザー装置全体の構成の自由度が高まることも明らかである。
【００５５】
なお、上記のレーザー装置、レーザー光増幅方法においては、各共振器において、レーザー光取り込み鏡１３とレーザー光取り出し鏡１４との間で光路が規定されるものとしたが、同様に光路が形成される限りにおいて、他の構成を用いることも可能である。
【００５６】
このように、上記のレーザー装置、レーザー増幅方法によって、高い繰り返し周波数と高い平均エネルギーをもった超短パルスレーザー光を得ることができる。こうした超短パルスレーザー光は、レーザー誘起蛍光分光分析（Ｌａｓｅｒ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＬＩＦＳ）、レーザーブレークダウン分光分析（Ｌａｓｅｒ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＬＩＢＳ）、レーザーレーダー（Ｌａｓｅｒ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｒａｎｇｉｎｇ：ＬＩＤＥＲ）等に有効である。さらに、低ジッターであることから、このレーザー装置は、他の独立した装置と高い同期性をもつ。すなわち、超短パルスレーザー光を高い精度で他の装置と同期させて使用することができる。このため、例えば、電子加速器と連動させ、レーザー逆コンプトン散乱を使った高輝度短波長光源等を構成する場合において、極めて有効である。
【符号の説明】
【００５７】
１０、１１０、１３０  共振器
１１、９１  Ｔｈｉｎ−Ｄｉｓｋレーザー媒質（レーザー媒質）  
１２、９２  放熱板
１３  レーザー光取り込み鏡
１４、９４  レーザー光取り出し鏡
１５、９５  補償用素子
２０  繰り返しレーザー光
９０  共振器（モード同期共振器）
９３  過飽和吸収鏡
１００、１２０、１４０  出力レーザー光
９００  レーザー光
【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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