(57)【要約】  【課題】  超短パルスレーザー源としては、非常にコンパクトであり、かつ安定なファイバーレーザーが注目されている。しかしながら、レーザー媒質としてエルビウムやイットリビウムを用いるため、パルス幅は、100fs程度に留まっている。このパルス幅をチタンサファイヤレーザーで実現されている10fs以下にすることができれば、超高速現象に関する研究を飛躍的に進展させることが可能となる。【解決手段】  重水素分子等のラマン媒質に、分子の回転運動等の量子準位エネルギー差に相当する波長差と、それぞれ同程度の強度を有する２波長のレーザー光を入射する。これにより、媒質中には分子の分極波が形成される。ここに波長の異なる別のレーザー光（プローブ光）を導入すると、分極波に起因する屈折率の時間変動により、プローブレーザー光のスペクトル幅は、拡大される。同時に媒質の有する分散によりパルス幅がより短くなる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超短パルスレーザー発生方法であって、波長の異なる２色のレーザー光を用いてラマン媒質を励起し、該励起により生じる誘電分極の場に基づいて第３のレーザー光のスペクトル幅を拡大し、超短パルスを形成することを特徴とする超短パルスレーザー発生方法。
【請求項２】
超短パルスレーザー発生装置であって、波長の異なる２色のパルスレーザー光をラマン媒質に入射し、次いで、該２色のパルスレーザーよりもパルス幅の短いパルスレーザー光を該媒質中へ注入することを特徴とする超短パルスレーザー発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、超高速分光、情報通信、レーザー加工などに使用される技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまでに、レーザー装置から出力されたレーザーパルスのパルス幅を短くするために、スペクトル幅を拡大する様々な手法が提案されている。
【０００３】
その一つとして、高強度短パルスレーザーの自己位相変調によりスペクトル幅を拡大する方法が示されている（非特許文献１参照）。
【０００４】
また、自己位相変調の強度による制限を解決するために、誘起位相変調を用いる手法が発明された（下記特許文献１参照）。
【０００５】
これらの、レーザー強度に依存する非線形屈折率を用いるスペクトル幅拡大法においては、一般的に数十GW/cm2以上の高い強度を必要とするために、大がかりなレーザーシステムを必要とするだけではなく、スペクトル中の位相が一様な分布をしていないため、圧縮して得られる超短パルスは、時間的前後にプレパルス、ポストパルスを伴う様な整った形ではないパルスとなる。
【０００６】
一方、他のスペクトル幅の拡大手法の一つとして、ラマン散乱による方法、特にインパルシブラマン法が示された（非特許文献２参照）。この方法においては、まずパルス幅が分子振動周期よりも短い、高強度パルスレーザーをラマン媒質中に入射することによって先んじて分子振動を駆動して誘電分極波を励起し、時間的に遅れて入射された比較的強度の弱い短パルスレーザーのスペクトル幅を拡大し、超短パルスを得た。
【０００７】
この方法においても、分子振動を駆動するレーザーは、超高強度、超短パルスレーザーを用いる必要があるため、装置が大型かつ複雑となること、強度がラマン媒質をプラズマ化することで制限されていること、ラマン媒質として長い振動周期を有する分子に制限されるなど、応用上の問題点があった。
【０００８】
一方、効率よく上記の誘電分極波を形成する他の方法として、ラマン遷移分の振動数差を有する２色光励起による方法が示された（非特許文献３参照）。
【０００９】
また、２波長パラメトリックラマン散乱法により励起光から高次ストークス群が形成され、それらが超短パルスのパルス列を形成する可能性が示された（特許文献２参照）。この方法においては、超短パルスは、パルス列で得られるため、応用上問題があった。
【非特許文献１】M. Nisoli, “A novel high energypulse compression system: generation of multi-gigawatt sub 5fs pulses” , Appl. Phys. B(1997) p 189
【非特許文献２】N.Zhavoronkov, and G. Korn, “Generation of Single Intense Short Optical Pulses byUltrafast Molecular Phase Modulation”, Phys. Rev. Lett. 2002 Vol. 88, No.20,203901
【非特許文献３】Eimerl,R.S.Hargrove, and J.A. Paisner, “Efficient Frequency Conversion by StimulatedRaman Scattering” Phys. Rev. Lett. (1981) Vol. 46, No.10 p. 651
【特許文献１】特開２００１−８３５５８号公報
【特許文献２】特開平６−２１５５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
超短パルスレーザー源としては、非常にコンパクトであり、かつ安定なファイバーレーザーが注目されている。しかしながら、レーザー媒質としてエルビウムやイットリビウムを用いるため、パルス幅は、100fs程度に留まっている。このパルス幅をチタンサファイヤレーザーで実現されている10fs以下にすることができれば、超高速現象に関する研究を飛躍的に進展させることが可能となる。したがって、本願発明の課題は、形の整ったフェムト秒超短パルスを得るための、容易かつ小型なシステムサイズを実現可能な超短パルスレーザーを開発することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
ラマン媒質のラマン遷移に相当する振動数差を有する２色のレーザーを用いてラマン分極波を効率よく励起して、そこに被影響光としてプローブレーザー光を入射することによって、スペクトル幅の拡大を行い、圧縮後超短パルスを得る。
【発明の効果】
【００１２】
従来、ファイバーレーザーのパルス幅よりも短いレーザーパルスを得るためにはチタンサファイヤレーザー等の大型で安定性に欠けるレーザー光源を必要としていた。本願発明により、小型の装置により、ファイバー出力を直接数フェムト台に変換しうることとなり、超高速現象の分光計測などの応用に対して、非常にコンパクト、且つ高安定なシステムを供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、図面を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１に示すように、ラマン媒質の準位差に相当する振動数差を有する、波長λ１とλ２の２色の励起レーザー光を出力させる。それぞれの波長のレーザーは周波数を安定化した連続レーザーから発振され、必要な強度にまで増幅された後、ラマン媒質に入射させる。ラマン媒質としては、ここでは重水素を用いたが、メタン、窒素、六フッ化硫黄等でもよい。
【００１５】
具体例として、KrFレーザーと重水素の回転ラマン遷移（回転量子数J=0から2）を用いる。狭スペクトル幅で連続発振する２台のチタンサファイヤレーザー出力の３倍高調波をKrFレーザーで増幅する。重水素の場合は、波数Ω=179cm-1であり、波長248.0nmのKrFレーザーを用いた場合は、およそ1nmの波長差を有する２色のレーザー光となる。その２色のレーザー光を反射率が５０％の部分反射鏡を用いることで同一の光軸を伝搬するレーザービームとしてラマン媒質に入射する。
【００１６】
この２色光励起によりラマン媒質は、効率的に励起されて、大きな分極波を媒質中に有するようになる。上記重水素の場合、数ナノ秒以上のパルス幅を有する２色光励起により、振動は定常状態に達する。
【００１７】
ここで、プローブレーザー光を入射する。プローブ光は、分極波と共に伝搬し、スペクトル幅の拡大の効果を受ける。そのプローブ光を波長選択鏡３により分離して取り出すために、プローブ光の波長λ３は、励起光の波長λ１，λ２とは異なっている。また、励起光と同軸にしてラマン媒質中に入射させるために、波長選択鏡３を用いている。このプローブ光のパルス幅は、分極波の振動周期以下であることが、圧縮後単一パルスを得るためには望ましい。
【００１８】
上記、重水素の条件においては、例えば、ファイバーレーザーをプローブレーザーとして用いて、出力波長780nm、パルス幅200fs以下のプローブ光を入射すると、スペクトル幅が拡大される。
【００１９】
図２にそのスペクトル拡大の様子を示す。２色励起レーザーにより励起された分極波は、時間的に変動する屈折率に相当し、およそ光速の位相速度で共に伝搬するプローブ光のスペクトルを時間的に周波数が変化する様に拡大する。
【００２０】
スペクトル幅が拡大されたプローブパルスは、媒質から出力後、分散鏡など適切な光学素子を用いることでパルス幅を圧縮することができる。
【００２１】
図２においては、よりシステムが単純になる方法の例として、媒質の有する分散と、プローブ光の受ける周波数の時間変化（チャープ）の向きを適切に調整することによって、媒質中でプローブ光が圧縮された場合を示している。
【００２２】
プローブパルスと分極波の位相関係に応じて、スペクトルのチャープの向きが異なるので、安定した超短パルス生成のためには、相対的な位相関係を発振器ミラー等の位置を変化させて一定に保つための、フィードバックシステムを付加すること、あるいは、プローブ短パルス発振器からの出力を分けて、そのチャープパルスを２色励起レーザー光として用いる等の方法が考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本願発明は、短パルスレーザーによる超高速現象の診断又は分析に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本願発明に係る装置の概念図
【図２】本願発明の機能説明図
【図１】
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【図２】
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