(57)【要約】      （修正有）【課題】装置の大型化を抑制して共振器の光路長を伸ばし、高いパルスエネルギーを発生させることが可能なモードロックレーザを提供する。【解決手段】共振器は、レーザ光における偏光方向が互いに９０°異なる２つの偏光光の一方の偏光光を通過させ他方を反射させる偏光ビームスプリッタ１によって、ミラー間の光路が複数に分岐された分岐光路を備え、複数の分岐光路のうちの１つの分岐光路には利得媒体６が配置され、他の１つの分岐光路にはレーザ光を往復させると該レーザ光の偏光方向が９０°回転する偏光回転機構５が配置された構成を有し、利得媒体６が配置された分岐光路から偏光ビームスプリッタ１を通過し、偏光回転機構５が配置された分岐光路に伝搬された一方の偏光光を、偏光回転機構５を２度往復させ一方の偏光光と同じ偏光方向とした後に偏光ビームスプリッタ１を通過させ、利得媒体６が配置された分岐光路を伝搬させて共振状態にする。【選択図】図１
2015015337.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のミラーで構成される共振器を備え、前記共振器内に配置された利得媒体を励起光源によって励起し、前記励起された該共振器内におけるレーザ光をモード同期させるモードロックレーザであって、
前記共振器は、前記レーザ光における偏光方向が互いに９０°異なる２つの偏光光の一方の偏光光を通過させ他方を反射させる偏光ビームスプリッタによって、前記複数のミラー間の光路が複数に分岐された分岐光路を備え、
前記複数の分岐光路のうちの１つの分岐光路には前記利得媒体が配置され、他の１つの分岐光路には前記レーザ光を往復させると該レーザ光の偏光方向が９０°回転する偏光回転機構が配置された構成を有し、
前記利得媒体が配置された分岐光路から前記偏光ビームスプリッタを通過し、前記偏光回転機構が配置された分岐光路に伝搬された前記一方の偏光光を、
前記偏光回転機構を２度往復させ前記一方の偏光光と同じ偏光方向とした後に前記偏光ビームスプリッタを通過させ、前記利得媒体が配置された分岐光路を伝搬させて共振状態にすることを特徴とするモードロックレーザ。
【請求項２】
前記偏光ビームスプリッタと前記偏光回転機構と間の分岐光路に、前記レーザ光を複数回反射させる多重反射ミラー対が挿入されていることを特徴とする請求項１に記載のモードロックレーザ。
【請求項３】
前記偏光回転機構が配置された分岐光路は、２個以上の光ビームスプリッタで分岐されたそれぞれの分岐光路に偏光回転機構が配置された構成を備え、
前記偏光ビームスプリッタと前記偏光回転機構との間のそれぞれの分岐光路に、前記レーザ光を複数回反射させる多重反射ミラー対が挿入されていることを特徴とする請求項１に記載のモードロックレーザ。
【請求項４】
前記偏光回転機構は、複屈折結晶板と前記複屈折結晶板を挟むように設置された回折格子対とで構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のモードロックレーザ。
【請求項５】
前記偏光回転機構は、回折格子対と、複屈折結晶からなるウェッジ板と、を備え、
前記回折格子対は、ウェッジ板よりも前記偏光ビームスプリッタに近い位置に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のモードロックレーザ。
【請求項６】
前記偏光回転機構は、回折格子対と、１／４波長板と複屈折結晶からなるウェッジ板と、を備え、
前記偏光ビームスプリッタに近い側から、前記回折格子対、前記１／４波長板、前記複屈折結晶からなるウェッジ板、の順に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のモードロックレーザ。
【請求項７】
前記偏光回転機構は、レーザ光を構成する光の波長よりも短い周期を有する周期構造体層を複数積層した光学素子で構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のモードロックレーザ。
【請求項８】
前記偏光回転機構が、１／４波長板として機能する構成を備えていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のモードロックレーザ。
【請求項９】
前記利得媒体が、チタンサファイア結晶で構成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のモードロックレーザ。
【請求項１０】
前記利得媒体が、アレキサンドライト結晶で構成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のモードロックレーザ。
【請求項１１】
医療計測用の光源に請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のモードロックレーザを備えていることを特徴とする医療用計測装置。
【請求項１２】
アブレーション加工用の光源に請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のモードロックレーザを備えていることを特徴とするアブレーション加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共振器内におけるパルスレーザ光をモード同期させ、短パルスレーザ光を発生させるモードロックレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
モードロックレーザは、モードロッカーと呼ばれるパルスレーザ光に周期的に損失を与える変調機を用いて、波長の異なるレーザ光をモード同期することにより、ナノ秒以下のパルス幅を持つ短パルスレーザ光を発生させるレーザ装置である。
このように発生される短パルスレーザ光は、メガワットに達する高いピークパワー（＝パルスエネルギー／パルス幅）をもつことから、非線形効果を利用した多様な医用計測装置に用いられている。
例えば、モードロックレーザを用いた医用計測装置には、誘導ラマン散乱、２光子吸収、体内で発生する２倍および３倍高調波による蛍光イメージング、Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ａｎｔｉ−Ｓｔｏｋｅｓ  Ｒａｍａｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇなどがある。
これらの医用計測装置では、パルスレーザ光のピークパワーが高いほど非線形の効果が強く現れるため、パルスエネルギーの大きいモードロックレーザが好まれる。
パルスエネルギーの大きいモードロックレーザには、共振器が複数のミラーで構成された固体モードロックレーザがある。固体モードロックレーザは、複数のミラーで構成される共振器の内部に、利得を与える利得媒体とレーザ光に変調を与えるモードロッカーとを備える。
モードロッカーは、パルスレーザ光が共振器を一周する周期（ラウンドトリップ周期）と同期した変調機であればよく、電気光学素子（ＥＯ素子）、音響光学素子（ＡＯ素子）、または強度の高い光を選択的に透過する可飽和吸収体により構成される。
また、レーザ光が透過する際の利得媒体の屈折率変化（カーレンズ効果）をモードロッカーとして利用することもできる（カーレンズモード同期）。その場合、利得媒体はモードロッカーを兼ねる。
また、カーレンズモード同期の働きを強めるために、レーザ光の透過を制限するスリット等の機構を共振器に入れる場合もある。何れのモードロッカーを用いた場合も、モードロッカーは、ラウンドトリップ周期と同周期またはその整数倍の周期でレーザ光に損失を与える。
このようにモードロッカーにより変調されたパルスレーザ光は、パルスレーザを構成する光の位相が揃い、パルス幅が１ｎｓ以下の短パルスとなる（モード同期）。
固体モードロックレーザの利得媒体には、レーザ結晶およびレーザガラスを用いることができる。
医用計測装置に用いられる光源では、生体の光透過窓（波長７００ｎｍ−９００ｎｍ）に利得をもつチタンサファイア結晶、またはアレキサンドライト結晶を用いることが多い。
【０００３】
固体モードロックレーザから出力されるパルスレーザ光のエネルギーをさらに高くする技術として、共振器の光路長を伸ばし、ラウンドトリップ周期を長くする方法が非特許文献１に記載されている。
図１１は、非特許文献１に記載されたモードロックレーザの構成を表す模式図である。
図１１のレーザ装置は、チタンサファイア結晶、励起光源、共振器を構成する高反射ミラー、パルスレーザ光の一部を出力として取り出す部分反射ミラー、および共振器の光路長を伸ばすための多重反射ミラー対により構成されている。
パルスレーザ光は、チタンサファイア結晶のカーレンズ効果によってモード同期する。
カーレンズモード同期による変調の周期は、共振器のラウンドトリップ周期と等しくなる。
よって、パルスレーザ光は、ラウンドトリップ周期Ｔの逆数と等しい繰り返し周波数ｆ（＝１／Ｔ）で出力される。
モードロックレーザのパルスエネルギーＥ（単位はジュール）は、レーザ装置の時間平均出力Ｗ（単位はワット）およびパルスレーザ光の繰り返し周波数ｆ（単位はヘルツ）と以下の関係で結ばれる。
Ｅ＝Ｗ／ｆ    …式（１）
繰り返し周波数ｆは、ラウンドトリップ周期Ｔの逆数であり、光速ｃを共振器の光路長Ｌで割ったものに等しい。
ｆ＝１／Ｔ＝ｃ／Ｌ  …式（２）
すなわち、同じ時間平均出力Ｗをもつモードロックレーザであっても、共振器の光路長Ｌが長い場合、繰り返し周波数ｆが小さくなり、高いパルスエネルギーを発生させることが可能である。
非特許文献１では、多重反射ミラー対により共振器の光路長を伸ばすことによりラウンドトリップ周期Ｔを変化させ、パルスレーザ光の繰り返し周波数を３．８−１５ＭＨｚ範囲で制御している。
非特許文献１では、パルスレーザ光の繰り返し周波数が下がることにより、高いパルスエネルギーおよびパルスピークパワーが得られることが記されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｃｈｏ  他，¨Ｌｏｗ−ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ−ｒａｔｅ  ｈｉｇｈ−ｐｅａｋ−ｐｏｗｅｒ  Ｋｅｒｒ−ｌｅｎｓ  ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ  Ｔｉ：Ａｌ２Ｏ３  ｌａｓｅｒ  ｗｉｔｈ  ａ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｐａｓｓ  ｃａｖｉｔｙ¨，  Ｏｐｔ．  Ｌｅｔｔ．  Ｖｏｌ．２４，  ｐｐ．４１７−４１９  （１９９９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来例のものにおいては、つぎのような課題を有している。
すなわち、多重反射ミラー対を使用して光路長を伸ばす場合、レーザ装置内での多重反射ミラー対の占める面積が大きくなり、装置が大型となる。
例えば、光路長１メートルの共振器を用いた場合、パルスレーザ光の繰り返し周波数は約３３０ＭＨｚである。このレーザ装置のパルスエネルギーを１０倍にしようとすると、光路長を約９メートル伸ばさなければならない。
５ミリメートルの間隔をおいてレーザ光が多重反射ミラーに入射すると仮定すると、多重反射ミラー対の占める面積は約４５平方センチメートルとなる。
光路長を伸ばし、さらにパルスエネルギーを増すためには、より広い面積を占める多重反射ミラー対が必要となる。このように占有面積の大きな多重反射ミラー対は、レーザ装置を大型化し、医用現場での使用に際して不便なものとする。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑み、装置の大型化を抑制して共振器の光路長を伸ばし、高いパルスエネルギーを発生させることが可能となるモードロックレーザの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のモードロックレーザは、複数のミラーで構成される共振器を備え、前記共振器内に配置された利得媒体を励起光源によって励起し、前記励起された該共振器内における
パルスレーザ光をモード同期させ、短パルスレーザ光を発生させるモードロックレーザであって、
前記共振器は、前記パルスレーザ光における偏光方向が９０°異なる２つの偏光光の一方の偏光光を通過させ他方を反射させる偏光ビームスプリッタによって、前記複数のミラーによるミラー間の光路が複数に分岐された分岐光路を備え、  前記複数の分岐光路のうちの１つの分岐光路には前記利得媒体が配置され、他の１つの分岐光路には前記パルスレーザ光を往復させると該パルスレーザ光の偏光方向が９０°回転する偏光回転機構が配置された構成を有し、
前記利得媒体が配置された分岐光路から前記偏光ビームスプリッタを通過し、前記偏光回転機構が配置された分岐光路に伝搬された前記一方の偏光光を、
前記偏光回転機構を２度往復させ前記一方の偏光光と同じ偏光方向として、前記偏光ビームスプリッタを最初に通過させた方向とは反対方向に通過させ、
前記利得媒体が配置された分岐光路を伝搬させて共振状態とするように構成されていることを特徴とする。
また、本発明の医療用計測装置は、医療計測用の光源に上記したモードロックレーザを備えていることを特徴とする。
また、本発明のアブレーション加工装置は、アブレーション加工用の光源に上記したモードロックレーザを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、装置の大型化を抑制して共振器の光路長を伸ばし、高いパルスエネルギーを発生させることが可能となるモードロックレーザを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態１におけるモードロックレーザの構成例を説明する図であり、（ａ）は実施形態１および実施形態７のレーザ装置の構成を表す模式図、（ｂ）は比較例となる従来のレーザ装置の構成を表す模式図。
【図２】本発明の実施形態１におけるモードロックレーザのパルスレーザ光の共振状態と偏光状態とを説明するための模式図。
【図３】本発明の実施形態２におけるモードロックレーザの構成例を説明する図であり、（ａ）は本実施形態のレーザ装置の構成を表す模式図、（ｂ）は比較例となる従来のレーザ装置の構成を表す模式図。
【図４】本発明の実施形態３におけるモードロックレーザの構成例を説明する模式図。
【図５】本発明の実施形態４におけるモードロックレーザの構成例を説明する模式図。
【図６】本発明の実施形態４における１／４波長板の機能を説明するための模式図であり、（ａ）は複屈折結晶の屈折楕円を示す図、（ｂ）はパルスレーザ光を構成する光のスペクトル強度を示す図、（ｃ）は複屈折結晶板とそれに入射するパルスレーザ光を構成する波長の異なる光を示す図。
【図７】本発明の実施形態５におけるモードロックレーザの構成例を説明する図であり、（ａ）は本実施形態のレーザ装置の構成を表す模式図、（ｂ）はパルスレーザ光を構成する光のスペクトル強度を示す図、（ｃ）はウェッジ角が付いた複屈折結晶板とそれに入射するパルスレーザ光を構成する波長の異なる光を示す図。
【図８】本発明の実施形態６におけるモードロックレーザの構成例を説明する模式図。
【図９】本発明の実施形態６の構成例を示す図であり、（ａ）はパルスレーザ光を構成する光のスペクトル強度を示す図、（ｂ）はウェッジ板とそれに入射するパルスレーザ光を構成する波長の異なる光を示す図、（ｃ）は屈折楕円体を示す図、（ｄ）は屈折楕円を示す図。
【図１０】本発明の実施形態７の構成例を示す図であり、（ａ）は本実施形態のレーザ装置で偏光回転機構として用いられる光学素子を示す図、（ｂ）は光学素子を透過するパルスレーザ光の位相差と、パルスレーザ光を構成する光のスペクトル強度を示す図。
【図１１】従来例のレーザ装置の構成を説明する模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明のモードロックレーザは、装置を大型化することなく共振器の光路長を伸ばし、高いパルスエネルギーを発生させるため、つぎのような着想に基づいて見出されたものである。
すなわち、本実施形態のモードロックレーザは、複数のミラーで構成される共振器を備え、該共振器内に配置された利得媒体を励起光源によって励起し、該励起された該共振器内におけるパルスレーザ光をモード同期させ、短パルスレーザ光を発生させるように構成されている。
このモードロックレーザの前記共振器は、前記パルスレーザ光における偏光方向が９０°異なる２つの偏光光の一方の偏光光を通過させ他方を反射させる偏光ビームスプリッタによって、前記複数のミラーによるミラー間の光路が複数に分岐された分岐光路を備える。また、前記複数の分岐光路のうちの１つの分岐光路には前記利得媒体が配置され、他の１つの分岐光路には前記パルスレーザ光を往復させる（２度通過させる）と該パルスレーザ光の偏光方向が９０°回転する偏光回転機構が配置されている。
そして、前記利得媒体が配置された分岐光路から前記偏光ビームスプリッタを通過し、前記偏光回転機構が配置された分岐光路に伝搬された前記一方の偏光光を、
前記偏光回転機構を２度往復させ前記一方の偏光光と同じ偏光方向として、前記偏光ビームスプリッタを最初に通過させた方向とは反対方向に通過させ、前記利得媒体が配置された分岐光路を伝搬させて共振状態とするように構成されている。
具体的には、前記ミラー間の前記利得媒体が配置された分岐光路における一方のミラー側から前記偏光ビームスプリッタを通過し、前記偏光回転機構が配置された分岐光路に伝搬した前記一方の偏光光を、前記ミラー間の偏光回転機構が配置された分岐光路における他方のミラーを介し該偏光回転機構を往復させ前記一方の偏光光と９０°異なる偏光方向とする。
そして、再度、前記他方のミラーを介し該偏光回転機構を往復させ前記一方の偏光光と同じ偏光方向として、前記偏光ビームスプリッタを最初に通過した方向とは反対方向の前記一方のミラー側に通過させ、前記利得媒体が配置された分岐光路を伝搬させて共振状態とするように構成される。
【００１１】
以上の構成によれば、パルスレーザ光を異なる偏光状態で同じ光路を２回通過させることにより、装置を大型化することなく共振器の光路長を伸ばすことができ、高いパルスエネルギーを発生させることが可能となる。
また、上記した本発明のモードロックレーザは、医療計測用の光源に適用することにより、好適な医療用計測装置を構成することができる。
また、それ以外にも、アブレーション加工用の光源に適用することにより、好適なアブレーション加工装置を構成することができる。
以下に、本発明の実施形態におけるモードロックレーザの構成例について、図を用いて更に具体的に説明する。
［実施形態１］
本発明の実施形態１におけるモードロックレーザの構成例について、図１を用いて説明する。
本実施形態におけるモードロックレーザは、図１（ａ）に示すように、
共振器が、パルスレーザ光を分岐する偏光ビームスプリッタＰＢＳ１と、分岐されたパルスレーザ光を反射する２枚の高反射ミラー２と、１枚の部分反射ミラー３と、１枚の折り返しミラー４で構成されている。
以下、説明のために、ＰＢＳ１と高反射ミラー２およびＰＢＳ１と部分反射ミラー３との間の光路を分岐光路と呼ぶ。
また、説明のために、折り返しミラー４を含む高反射ミラー２とＰＢＳ１との間の分岐光
路を分岐光路１、それに平行となる分岐光路を分岐光路２、直角となる分岐光路を分岐光路３と呼ぶ。
分岐光路１または分岐光路２からＰＢＳへ入射するＰ偏光のパルスレーザ光（電場が紙面に対して平行）は、ＰＢＳで反射されることなく透過し、分岐光路２または分岐光路１へと伝搬する。
【００１２】
一方、分岐光路２または分岐光路３からＰＢＳへ入射するＳ偏光のパルスレーザ光（電場が紙面に対して直角）は、ＰＢＳにより反射され、分岐光路３または分岐光路２へと伝搬する。
すなわち、Ｐ偏光のパルス光は分岐光路１と２との間を伝搬し、Ｓ偏光のパルスレーザ光は分岐光路２と３との間を伝搬する。
分岐光路２には偏光方向を回転させる偏光回転機構５として１／４波長板が挿入されている。
この１／４波長板は、パルスレーザ光を構成する光に対して、パルスレーザ光が２度通過する毎にその偏光方向をほぼ９０°回転させる。
利得媒体６はチタンサファイア結晶であり、分岐光路１上に、光軸とその光学面とがブリュースタ角を成すように挿入されている。
ブリュースタ角で挿入されたチタンサファイア結晶は、Ｐ偏光のレーザ光に対して光学面での反射がほぼゼロとなる。
よって、本実施形態では、分岐光路１での偏光状態がＰ偏光となるようにパルスレーザ光が発振状態となる。チタンサファイア結晶は、共振器外部に置かれた波長５３２ｎｍの励起光源７と集光レンズ８とによって励起されている。本実施形態では、チタンサファイア結晶のカーレンズ効果によって、パルスレーザ光のモード同期がなされている。
【００１３】
図２に、本実施形態におけるパルスレーザ光の共振状態と偏光状態とを説明するための模式図を示す。
図中、黒矢印は光路上を伝搬するパルスレーザ光を表しており、その方向はパルスレーザ光の伝搬方向を示している。
また、方向Ｐおよび方向Ｓは、Ｐ偏光およびＳ偏光状態での電場の向きを示している。
以下、パルスレーザ光の共振器内での共振を、図２の（Ａ）−（Ｅ）を用いて説明する。（Ａ）：分岐光路１を伝搬するＰ偏光のパルスレーザがＰＢＳに入射する。Ｐ偏光であるためＰＢＳを透過し、分岐光路２へと伝搬する。
（Ｂ）：１／４波長板を２度通過したパルスレーザ光は偏光状態がＳ偏光となる。Ｓ偏光のパルスレーザ光はＰＢＳにより反射され、分岐光路３へと伝搬する。
（Ｃ）：部分反射ミラーにより反射されて戻ってきたパルスレーザ光は、Ｓ偏光状態のままＰＢＳに入射し、分岐光路２へと伝搬する。部分反射ミラーを透過したレーザビーム光は出力となる。
（Ｄ）：１／４波長を２度通過したパルスレーザ光は、その偏光状態がＳ偏光からＰ偏光へ変わる。Ｐ偏光状態となったパルスレーザ光は、ＰＢＳを透過し、分岐光路１へと伝搬する。
（Ｅ）：チタンサファイア結晶を透過し、部分ミラーにより反射されたパルスレーザ光は、チタンサファイア結晶を再度透過したあと、（Ａ）で示される状態へと戻る。
パルスレーザ光は上記の（Ａ）―（Ｅ）で示した状態を経て共振器内で共振する。
よって、分岐光路１−３の長さをそれぞれＬ１、Ｌ２およびＬ３と表すとき、共振器の光路長は、（Ｌ１＋２×Ｌ２＋Ｌ３）×２≒（Ｌ１＋Ｌ２×２）×２と表される。
【００１４】
図１（ｂ）に、比較例として示した従来例のレーザ装置の構成を示す。
従来の構成では、共振器内にＰＢＳと偏光回転機構が挿入されておらず、Ｓ偏光のパルスレーザ光が伝搬する分岐光路３もない。
図１（ｂ）で示した従来例のレーザ装置の光路長は（Ｌ１＋Ｌ２）×２となる。
図１（ｂ）の従来のレーザ装置の構成と比較すると、本実施形態のモードロックレーザの光路長はおおよそ２×Ｌ２だけ長い。
【００１５】
［実施形態２］
本発明の実施形態２におけるモードロックレーザの構成例について、図３を用いて説明する。
本実施形態におけるモードロックレーザは、偏光ビームスプリッタと偏光回転機構との間の分岐光路に、パルスレーザ光を複数回反射させる多重反射ミラー対が挿入されている。それ以外の構成は実施形態１と基本的に同じである。
本実施形態では、図３（ａ）に示すように、実施形態１と同様に、偏光ビームスプリッタによって光路は分岐光路１−３に分割されている。
高反射ミラー、部分反射ミラー、折り返しミラー、チタンサファイア結晶、励起光源、および集光レンズのレーザ装置内での配置は実施形態１に準ずる。
実施形態２の構成では、分岐光路２の内部に光路長を伸ばすための多重反射ミラー対９が挿入されている。
本実施形態では、多重反射ミラー対を通過する際の光路長は、他の部分の光路長よりも十分に長いと見なせる。よって、多重反射ミラー対を１回通過するときの光路長をＬと表すと、共振器の光路長波はおおよそＬ×４と表すことができる。
【００１６】
図３（ｂ）は、比較例として示した従来例のレーザ装置の構成である。
従来例の構成では、ＰＢＳおよび偏光回転機構が挿入されておらず、Ｓ偏光のパルスレーザ光が伝搬する分岐光路３もない。
図３（ｂ）で示したレーザ装置の光路長はおおよそＬ×２と表される。
図３（ｂ）の従来のレーザ装置の構成と比較すると、本実施形態のモードロックレーザの光路長はおおよそ２倍長い。
【００１７】
［実施形態３］
本発明の実施形態３におけるモードロックレーザの構成例について、図４を用いて説明する。
本実施形態におけるモードロックレーザは、偏光回転機構が配置された分岐光路は、２個以上の光ビームスプリッタで分岐されたそれぞれの分岐光路に偏光回転機構が配置された構成を備えている。
そして、上記偏光ビームスプリッタと上記偏光回転機構との間のそれぞれの分岐光路に、パルスレーザ光を複数回反射させる多重反射ミラー対が挿入されている。それ以外の構成は実施形態１と基本的に同じである。
具体的には、図４に示すように、２個のＰＢＳ１２およびＰＢＳ１３によって光路が分岐されている。図４に示す分岐された光路を分岐光路１−５と呼ぶ。
２個のＰＢＳで挟まれた分岐光路１には、利得媒体６としてチタンサファイア結晶が挿入されている。
チタンサファイア結晶の光学面と光軸とはブリュースタ角θＢを成しており、実施形態１のときと同様に、分岐光路１をＰ偏光で伝搬するパルスレーザ光が発振状態となる。
分岐光路２と分岐光路４には共通の多重反射ミラー対９が挿入されている。
また、分岐光路２と分岐光路４とには、それぞれ１／４波長板が偏光回転機構５として挿入されている。
【００１８】
以下、パルスレーザ光の共振器内での共振状態と偏光状態とを説明する。
（Ａ）：分岐光路１を伝搬するＰ偏光のパルスレーザがＰＢＳ１２に入射する。Ｐ偏光であるためＰＢＳを透過し、分岐光路２へと伝搬する。
（Ｂ）：１／４波長板を２度通過したパルスレーザ光は偏光状態がＳ偏光となる。Ｓ偏光のパルスレーザ光はＰＢＳにより反射され、分岐光路３へと伝搬する。この際、多重反射
ミラー対９を２度通過する。
（Ｃ）：部分反射ミラー３により反射されて戻ってきたパルスレーザ光は、Ｓ偏光状態のままＰＢＳ１２に入射し、反射されて分岐光路２へと伝搬する。その際、部分反射ミラー３を透過したレーザビーム光は出力となる。
（Ｄ）：１／４波長板を２度通過したパルスレーザ光は、その偏光状態がＳ偏光からＰ偏光へ変わる。Ｐ偏光状態となったパルスレーザ光は、ＰＢＳを透過し、分岐光路１へと伝搬する。この際、多重反射ミラー９を２度通過する。
（Ｅ）：チタンサファイア結晶を透過し、分岐光路１を伝搬するＰ偏光のパルスレーザがＰＢＳ１３に入射する。Ｐ偏光であるためＰＢＳを透過し、分岐光路４へと伝搬する。
（Ｆ）：１／４波長板を２度通過したパルスレーザ光は偏光状態がＳ偏光となる。Ｓ偏光のパルスレーザ光はＰＢＳにより反射され、分岐光路５へと伝搬する。この際、多重反射ミラー対９を２度通過する。
（Ｇ）：反射ミラーにより反射されて戻ってきたパルスレーザ光は、Ｓ偏光状態のままＰＢＳ１３に入射し、反射されて分岐光路４へと伝搬する。
（Ｈ）：１／４波長板を２度通過したパルスレーザ光は、その偏光状態がＳ偏光からＰ偏光へ変わる。Ｐ偏光状態となったパルスレーザ光は、ＰＢＳを透過し、分岐光路１へと伝搬する。
この際、多重反射ミラー対９を２度通過する。分岐光路１へと伝搬したパルスレーザ光はチタンサファイア結晶を透過し、（Ａ）の状態へと戻る。
【００１９】
本実施形態では、多重反射ミラー対９を通過する際の光路長は、他の部分の光路長よりも十分に長いと見なせる。
よって、多重反射ミラー対を１回通過するときの光路長をＬと表すと、共振器の光路長波はＬ×８と表される。
図３（ｂ）の従来のレーザ装置の構成と比較すると、本実施形態のモードロックレーザの光路長はおおよそ４倍長い。
【００２０】
［実施形態４］
本発明の実施形態４におけるモードロックレーザの構成例について、図５を用いて説明する。
本実施形態におけるモードロックレーザは、偏光回転機構が、複屈折結晶板とこの複屈折結晶板を挟むように設置された回折格子対とで構成されている。それ以外の構成は実施形態１と基本的に同じである。
具体的には、図５に示すように、実施形態１と同様に光路がＰＢＳ１により分岐光路１−３に分岐されており、利得媒体６としてチタンサファイア結晶が分岐光路１に挿入されている。
チタンサファイア結晶の光学面と光軸とはブリュースタ角を成しており、分岐光路１においてＰ偏光となるビーム光が発振状態となる。
Ｐ偏光のレーザ光はＰＢＳ１を介して分岐光路１と分岐光路２との間を伝搬し、Ｓ偏光のレーザ光はＰＢＳ１を介して光分岐光路２と分岐光路３との間を伝搬する。
分岐光路２には複屈折結晶板５２とそれを挟む回折格子対５１が偏光回転機構として挿入されている。
パルスレーザ光は異なる波長の光で構成されているため、ＰＢＳから回折格子に入射するレーザ光は、波長ごとに異なる角度で回折されて、波長に依存した入射角度で複屈折結晶板５２へと入射する。
【００２１】
図６は、本実施形態における１／４波長板の機能を説明するための模式図である。
図６（ａ）に示す楕円の短軸および長軸は、複屈折結晶板５２を構成する複屈折結晶の屈折楕円体の断面を表している（以下、屈折楕円と呼ぶ）。
図中、レーザ光は紙面に対してほぼ直角に入射し、Ｐ偏光の電場は紙面横向き（軸Ｘ方向
）、Ｓ偏光の電場は紙面上向き（軸Ｙ方向）となる。
屈折楕円の長軸および短軸は、軸Ｘと軸Ｙとの二等分線上に位置する。この長軸および短軸の方向を軸Ａおよび軸Ｂとする。
Ｓ偏光およびＰ偏光のレーザ光がこの複屈折結晶を透過するとき、楕円の軸Ａと軸Ｂとに分割された電場の成分は、楕円の長軸と短軸で表現される異なる屈折率ｎ１およびｎ２を感受する。
よって、複屈折結晶板５２の厚さｄと透過する光の波長λとが、次の式（３）の関係を満たすとき、波長板を２度通過したパルスレーザ光に対し、軸Ａおよび軸Ｂに平行となる電場成分の位相が１８０°回転し、偏光の向きが９０°回転する。
（ｎ１−ｎ２）×ｄ＝λ／４    …式（３）
これは、波長λをもつ光がこの複屈折結晶板を２度透過すると、偏光方向がＰ偏光とＳ偏光との間で切り替わることを意味する。
【００２２】
図６（ｂ）は、パルスレーザ光を構成する光のスペクトル強度である。
このように、パルスレーザ光は、異なる波長の光を含んでいる。
よって、波長ごとに１／４波長板として最適となる複屈折結晶の厚さｄは異なる。例えば、短パルスが波長λ０を中心に、λ１とλ２（λ１＜λ２）の光を含む場合、最適となる厚さｄは、ｄ１とｄ２（ｄ１＜ｄ２）である。
図６（ｃ）に示す通り、本実施形態によれば、パルスレーザ光を構成する光は、波長に依存した角度で複屈折結晶板５２に入射するため、波長ごとにその透過距離ｄ１とｄ２とを変えることができる。
よって、波長ごとに最適となる厚さとなるように複屈折結晶板５２の角度を調整すれば、波長に対して位相の回転角を補償することができる。本実施形態では、パルスレーザ光を形成する光の波長帯域は７９５−８０５ｎｍである。
よって、この波長帯域の光に対して偏光回転機構５が１／４波長板として機能するためには、７９５ｎｍと８０５ｎｍの光の分離角がθ＝ｃｏｓー１（７９５／８０５）＝９°であればよい。回折格子の回折角βは、光の入射角をα、単位長さ当たりの格子数をＮ、回折の次数をｎとすると、次の式（４）のように表すことができる。
ｓｉｎα±ｓｉｎβ＝ｎＮλ  …式（４）
Ｎ＝２３００本／ｍｍの回折格子にα＝６０°の角度でレーザ光を入射すると、上記の分離角をほぼ得ることができる。
【００２３】
［実施形態５］
本発明の実施形態５におけるモードロックレーザの構成例について、図７を用いて説明する。
本実施形態におけるモードロックレーザは、前記偏光回転機構は、回折格子対と、複屈折結晶からなるウェッジ板と、を備え、
前記回折格子対は、ウェッジ板よりも前記偏光ビームスプリッタに近い位置に設けられている。それ以外の構成は実施形態１と基本的に同じである。
具体的には、図７（ａ）に示すように、実施形態１と同様に光路がＰＢＳ１により分岐光路１−３に分岐されている。
Ｐ偏光のレーザ光はＰＢＳ１を介して分岐光路１と分岐光路２との間を伝搬し、Ｓ偏光のレーザ光はＰＢＳ１を介して光分岐光路２と分岐光路３との間を伝搬する。
分岐光路１には利得媒体６としてチタンサファイア結晶が挿入されている。
チタンサファイア結晶の光学面と光軸とはブリュースタ角を成しており、分岐光路１においてＰ偏光となるビーム光が発振状態となる。
発振したパルスレーザ光は図７（ｂ）で表されるスペクトル強度をもつ。
分岐光路２には回折格子対５１が挿入されている。この回折格子対５１を透過した光は波長ごとに分離し、回折格子対５１とミラー２との間で空間的に波長が分布する平行光となる。この平行光には、ウェッジ角がついた複屈折結晶板５３が挿入されている。
図７（ｃ）は、ウェッジ角ψがついた複屈折結晶板５３とそれに入射する異なる波長λ１およびλ２の光を表している。
【００２４】
本実施形態によれば、回折格子５１により波長ごとに異なる角度で回折されたレーザ光は、ウェッジ角ψが付けられた複屈折結晶板５３の異なる場所を透過する。
よって、波長の分離距離Ｄとウェッジ角ψとを調整することにより、波長λ１およびλ２の光に対して、式（３）を満たす条件を見出すことができる。
本実施形態では、パルスレーザ光を構成する光の波長帯域は７９０−８１０ｎｍであり、複屈折結晶板として水晶板を用いている。
このとき、７９０ｎｍと８１０ｎｍとで約１．１μｍの水晶板の厚さの差が必要である。波長７９０ｎｍと８１０ｎｍの分離距離Ｄが５ｍｍであるとき、必要とされるウェッジ角ψは約０．０１３°である。
【００２５】
［実施形態６］
本発明の実施形態６におけるモードロックレーザの構成例について、図８を用いて説明する。
本実施形態におけるモードロックレーザは、前記偏光回転機構が、回折格子対と、１／４波長板と複屈折結晶からなるウェッジ板と、を備え、
前記偏光ビームスプリッタに近い側から、前記回折格子対、前記１／４波長板、前記複屈折結晶からなるウェッジ板、の順に配置されている。それ以外の構成は実施形態１と基本的に同じである。
具体的には、図８に示すように、実施形態１と同様に光路がＰＢＳ１により分岐光路１−３に分岐されている。
Ｐ偏光のレーザ光はＰＢＳ１を介して分岐光路１と分岐光路２との間を伝搬し、Ｓ偏光のレーザ光はＰＢＳ１を介して光分岐光路２と分岐光路３との間を伝搬する。
分岐光路１にはチタンサファイア結晶が挿入されている。
チタンサファイアの光学面と光軸とはブリュースタ角を成しており、分岐光路１においてＰ偏光となるビーム光が発振状態となる。発振したパルスレーザ光は図９（ａ）で表されるスペクトル強度をもつ。
分岐光路２には回折格子対５１が挿入されている。この回折格子対を透過した光は波長によって分離し、回折格子対５１とミラー２との間で空間的に波長が分布する平行光となる。
この平行光には、波長板５４と複屈折結晶からなるウェッジ板５５とが挿入されている。これら、回折格子５１、波長板５４およびウェッジ板５５は、偏光回転機構５として機能する。
【００２６】
図９（ｂ）はウェッジ板および入射する波長λ１とλ２の光をあらわしている。
図９（ｃ）は、ウェッジ板に用いられる複屈折結晶の屈折楕円体を表している。図中、矢印Ｋは結晶中のレーザ光の伝搬方向をおおよそ示している。結晶主軸Ｐはウェッジ板の片方の光学面と垂直を成す。
図９（ｄ）は、図９（ｃ）で示した屈折楕円体をレーザ光の伝搬方向Ｋに垂直な面で切断したときの断面（屈折楕円）である。
図９（ｂ）および図９（ｄ）において、軸Ｘおよび軸ＹはそれぞれＳ偏光およびＰ偏光の電場の向きとほぼ一致している。
また、軸Ａと軸Ｂとは、軸Ｘと軸Ｙとの二等分線である。図９の実線は伝搬方向Ｋと主軸Ｐとが平行となる場合の屈折楕円、また破線は伝搬方向Ｋが軸Ａの方向に傾いている場合
の屈折楕円である。
このとき、楕円の長軸および短軸は軸Ａおよび軸Ｂと平行となる。
長軸および短軸の長さがそれに平行となる電場が感受する屈折率を表す。伝搬方向Ｋと結晶の主軸Ｐが一致する場合、屈折楕円は円形（破線）となり、屈折率は偏光に依存しない。
【００２７】
しかし、複屈折結晶板が軸Ａ方向に傾いている場合、軸Ａ方向と軸Ｂ方向との屈折率には差ｎ１’−ｎ２’が生じる。この屈折率の差ｎ１’−ｎ２’は、複屈折結晶板の傾きが増すと増加する。
複屈折結晶板はウェッジ形状であるため、波長λ１およびλ２の光が通過する距離ｄ１およびｄ２は異なっている。
よって、前記波長板５４が屈折率ｎ１とｎ２とを持つ厚さｄの複屈折結晶で構成されている場合、次の式（５）、式（６）が成り立てば、前記波長板５４と複屈折結晶からなるウェッジ板５５とは、波長に対して補償された１／４波長板として機能する。
（ｎ１−ｎ２）×ｄ＋（ｎ１’−ｎ２’）×ｄ１＝λ１／４  …式（５）
（ｎ１−ｎ２）×ｄ＋（ｎ１’−ｎ２’）×ｄ２＝λ２／４  …式（６）
上記式（５）および式（６）の条件は、ウェッジ板の厚さとウェッジ角ψ、およびウェッジ板に入射する波長λ１とλ２との分離距離Ｄとを調整することにより、満たすことができる。
【００２８】
［実施形態７］
本発明の実施形態７における構成例について、図１０を用いて説明する。
図１０には、本実施形態の偏光回転機構として使用する光学素子が示されている。
本実施形態の偏光回転機構は、パルスレーザ光を構成する光の波長よりも短い周期を有する周期構造体層を複数積層した光学素子で構成されている。それ以外の構成は実施形態１と基本的に同じである。
具体的には、実施形態１と同様に光路がＰＢＳにより分岐光路１−３に分岐されており、Ｐ偏光のレーザ光はＰＢＳを介して分岐光路１と分岐光路２との間を伝搬し、Ｓ偏光のレーザ光はＰＢＳを介して光分岐光路２と分岐光路３との間を伝搬する。
分岐光路１にはチタンサファイア結晶が挿入されている。チタンサファイア結晶の光学面と光軸とはブリュースタ角を成しており、分岐光路１においてＰ偏光となるレーザ光が発振状態となる。
分岐光路２に挿入される偏光回転機構は、短パルスレーザ光の波長よりも短い周期構造を有する光学素子である。本実施形態で用いられる光学素子は、基板と複数の周期構造体層とにより構成されている。
図１０（ａ）はその形態を表す模式図である。
図１０（ｂ）は、パルスレーザ光が図１０（ａ）に示した光学素子を透過したとき、軸Ａおよび軸Ｂ方向の電場が感受する位相差φＡ−φＢである。
また、図１０（ｂ）には、パルスレーザ光のスペクトル強度もプロットされている。本実施形態の複数の周期構造体層の積層により構成される光学素子は、パルスレーザ光のスペクトル帯域よりも広い波長帯域でほぼ正確にπ／２の位相差を与る。すなわち、パルスレーザ光に含まれる波長の光に対して、ほぼ正確に１／４波長板として機能する。
よって、周期構造体層の積層により構成される波長板を用いることにより、パルスレーザ光を構成する異なる波長の光に対して、偏光状態をＰ偏光とＳ偏光との間でほぼ正確に変換することができる。
【００２９】
以上、上記実施形態では、波長板およびウェッジ板が１枚の複屈折結晶板で構成される場合について説明したが、波長板は複数の複屈折結晶板で構成されてもよい。
その場合、式（３）の左辺は、複数の複屈折結晶板に対する和で表される。
例えば、屈折率（ｎ１、ｎ２）をもつ長さｄの複屈折結晶板と、屈折率（ｎ１”、ｎ２”）をもつ長さＬ２の複屈折結晶板とで波長板が構成されている場合、波長板がほぼ１／４波長板として機能するためには、次式が満たされればよい。
（ｎ１−ｎ２）×２×ｄ＋（ｎ１”−ｎ２”）×２×ｄ”＝λ／４
上記実施形態の波長板の代わりに、このような複数の複屈折結晶板により構成される波長板を用いても、本発明の効果を得ることができる。
【００３０】
また、上記実施形態で用いられる励起光源は、小型のレーザダイオード光源であることが望ましい。
レーザダイオード光源を励起光源として用いる場合、レーザ装置で共振器が占める領域が殆どとなるため、共振器の大きさを抑制できる本発明の効果はより顕著なものとなる。
例えば、チタンサファイア結晶を利得媒体として用いる場合、ＧａＮ化合物半導体およびその他の半導体をベースとした発振波長４００−６００ｎｍの半導体レーザダイオードを用いることが望ましい。また、アレキサンドライト結晶を利得媒体として用いる場合には、ＧａＮ化合物半導体、ＧａＡｓ化合物半導体およびその他の半導体をベースとした発振波長３５０−６８０ｎｍの半導体レーザダイオードを用いることが望ましい。
【００３１】
以上に説明した構成によれば、パルスレーザ光は、ＰＢＳで分岐された光路をＳ偏光とＰ偏光との偏光状態で２度通過して共振状態となる。
よって、レーザ装置のなかで共振器が占める面積を増すことなく、光路長を伸ばすことができる。光路長がｑ倍となる場合、そのパルスエネルギーもほぼｑ倍となる。
よって、従来例と比較して、実施形態１の構成ではパルスエネルギーは約（Ｌ２×２＋Ｌ１）／（Ｌ２＋Ｌ１）倍、実施形態２の構成では約２倍、実施形態３の構成では約４倍となる。
【００３２】
実施形態１−３の構成に実施形態４−６で説明した偏光回転機構を用いることにより、パルスレーザ光に含まれる波長の異なる光に対して、ｐ偏光とｓ偏光とをほぼ正確に切り替えることが可能となる。
ｐ偏光とｓ偏光との切り替えの精度を上げることにより、偏光に依存して伝搬方向を切り替えるＰＢＳでの損失がさがり、広い波長変化範囲に亘って、より高いパルスエネルギーを得ることができる。
例えば、レーザ装置がチタンサファイ結晶またはアレキサンドライト結晶を利得媒体としてもちいたモードロックパルスレーザであり、パルスレーザ光が中心波長８００ｎｍ、パルス幅が１００フェムト秒以上の場合、パルスレーザ光を構成する光のスペクトル幅を１０ｎｍ以下とすることができる。
このとき、上記実施形態４−７で説明した何れかの構成を用いて、パルスレーザ光を構成する光の偏光方向を９０°回転させることができる。
また、パルス幅が１００フェムト秒以下のパルスレーザ光、または発振波長の切り替えが可能なレーザ装置の場合、偏光回転機構を通過する光の波長は１０ｎｍの波長幅よりも広くなる。
この場合、上記実施形態５−７で説明した何れかの構成を用いることにより、偏光回転機構を通過する光の偏光方向を９０°回転させることができる。
【符号の説明】
【００３３】
１：偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
２：高反射ミラー
３：部分反射ミラー
４：折り返しミラー
５：偏光回転機構
６：利得媒体
７：励起光源
８：集光レンズ
【図１】
2015015337.tif 000003
【図２】
2015015337.tif 000004
【図３】
2015015337.tif 000005
【図４】
2015015337.tif 000006
【図５】
2015015337.tif 000007
【図６】
2015015337.tif 000008
【図７】
2015015337.tif 000009
【図８】
2015015337.tif 000010
【図９】
2015015337.tif 000011
【図１０】
2015015337.tif 000012
【図１１】
2015015337.tif 000013