(57)【要約】【課題】本発明は、固体レーザ媒質として円柱形状のＹｂ：ＹＡＧ結晶を用いて、フェムト秒の超短パルス光ビームを高出力する超短パルスレーザを提供する。【解決手段】超短パルスレーザは、フェムト秒の超短パルス光を出力する発振器１と、超短パルス光のパルス幅を延伸するパルスストレッチャ２と、延伸された超短パルス光のエネルギーを増幅する再生増幅器３と、再生増幅器３からの超短パルス光のパルス幅を圧縮するパルスコンプレッサ４とを備え、再生増幅器３は、円柱形状のＹｂ：ＹＡＧ結晶ロッド９と、ロッド９の光軸上に配置され、両端面を励起光で励起するための半導体レーザ１２と、固体レーザ媒質の光軸上に光学的に対向配置され、ロッド９の端面に励起光を集光させる一対の集光レンズ１１と、励起光を透過させるとともに増幅された超短パルス光を反射する一対の短波長透過フィルタ１０とを有する共振器１５とを有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
注入される超短パルスレーザのエネルギーを増幅するための再生増幅器であって、
鏡面研磨された該円柱形状の固体レーザ結晶からなる固体レーザ媒質と、
前記固体レーザ媒質の光軸上に配置され、両端面を励起光で励起するための半導体レーザと、
前記固体レーザ媒質の光軸上に光学的に対向配置され、前記固体レーザ媒質の端面に励起光を集光させる一対の集光レンズと、前記固体レーザ媒質の光軸に対する垂直面に傾斜して配置され、励起光を透過させるとともに増幅した超短パルス光を反射する一対の短波長透過フィルタとを有する共振器とを備え、
前記半導体レーザからの励起光を前記一対の集光レンズで前記固体レーザ媒質の端面に集光して前記固体レーザ媒質を伝播させて励起して、前記固体レーザ媒質に蓄積されたエネルギーにより、注入された超短パルス光を前記共振器で共振増幅し、増幅された超短パルス光をEO素子と偏光制御素子によって出力することを特徴とする再生増幅器。
【請求項２】
前記集光レンズの焦点距離、前記固体レーザ媒質の端面上のビーム径、若しくは前記固体レーザ媒質のロッド径の少なくとも１以上を調整することにより、前記励起光が前記固体レーザ媒質内で全反射することを特徴とする請求項１に記載の再生増幅器。
【請求項３】
前記固体レーザ媒質がＹｂ：ＹＡＧ結晶、若しくはセラミックＹｂ：ＹＡＧのいずれかであることを特徴する請求項１又は２に記載の再生増幅器。
【請求項４】
前記固体レーザ媒質がＮｄ：ＹＡＧ結晶であることを特徴する請求項１又は２に記載の再生増幅器。
【請求項５】
前記固体レーザ媒質がＹｂ添加バナデート結晶であることを特徴する請求項１又は２に記載の再生増幅器。
【請求項６】
前記Ｙｂ添加バナデート結晶は、Ｙｂ：ＹＶＯ４、Ｙｂ：ＧｄＶＯ４、Ｙｂ：ＬｕＶＯ４のいずれかであることを特徴とする請求項４に記載の再生増幅器。
【請求項７】
前記固体レーザ媒質の側面に周設された水冷ユニットを有することを特徴とする請求項１乃至６に記載の再生増幅器。
【請求項８】
前記該円柱形状の固体レーザ媒質の両端面の一部がＹｂ若しくはＮｄのいずれにおいてもドープされていないことを特徴とする請求項１乃至７に記載の再生増幅器。
【請求項９】
請求項１乃至７記載の再生増幅器と、
フェムト秒の超短パルス光を出力する発振器と、
超短パルス光のパルス幅を延伸するパルスストレッチャとを少なくとも備え、
前記発振器から出力されたフェムト秒の超短パルス光を、前記パルスストレッチャにより超短パルス光のパルス幅を延伸し、
当該延伸された超短パルス光を再生増幅器により再生増幅することを特徴とする超短パルスレーザ出力システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超短パルス光のエネルギーを増幅する再生増幅器、及びこの再生増幅器を備えた超短パルスレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、パルスの時間幅がフェムト秒（ｆｓ）にあるような超短パルスレーザを出力できるモード同期レーザ、例えば、チタンサファイアレーザが知られている。このチタンサファイアレーザは、比熱効果により高精度なレーザ加工ができる優れた点を有している。
しかしながら、チタンサファイア結晶は、半導体レーザ（以下、ＬＤという）のＣＷ励起により高出力パルスを得るのが難しく、小型の励起光源であるＬＤが利用できない問題がある。
【０００３】
これに対して、Ｙｂ：ＹＡＧ結晶は、ＬＤによる高強度励起ができ、量子効率が高い、線幅が広い、蛍光寿命が比較的長いなどの利点がある。また、ＹＡＧ結晶は、固体レーザ結晶の中で熱特性が比較的良く、ＬＤ励起可能な９４０ｎｍ帯に広い吸収帯をもつなどの利点もある。このため、プロセシングや計測など幅広く利用するために、Ｙｂ：ＹＡＧ結晶を用いて、超短パルスレーザを高出力する超短パルスレーザの開発が行われている。
【０００４】
このような超短パルスレーザとして、発振器からの超短パルス光をパルスストレッチャの回折格子及びレンズでパルス幅を延伸して、再生増幅器のＹｂ：ＹＡＧ結晶ロッドに蓄積されたエネルギーにより超短パルス光のエネルギーを増幅し、パルスコンプレッサでパルス幅を圧縮して平均出力１０．３Ｗ、繰返し周波数１００ｋＨｚ、エネルギー０．１ｍＪ、パルス幅６．２ｐｓの出力を達成しているものがある。上記再生増幅器にはサイズ１ｍｍ×１ｍｍ×（４０〜５０ｍｍ）の角柱形状のＹｂ：ＹＡＧ結晶が用いられてい（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】レーザ研究、末田敬一、川戸栄、小林喬郎、「高平均出力Ｙｂ：ＹＡＧ超短パルスレーザシステムの開発」、第３４巻第９号ｐｐ６１６−６２０、２００６年９月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記超短パルスレーザでは、フェムト秒の超短パルス光ビームを出力できないとともに、超短パルス光の再生増幅器での増幅による光学素子等の損傷を防止するために、設計したパルスストレッチャでは超短パルス光のパルス幅を必要なだけ広げられない問題がある。
【０００６】
本発明は、上記従来技術の有する問題点に鑑みて創出されたものであり、固体レーザ媒質としてＹｂ：ＹＡＧ結晶を有する共振器により超短パルス光のエネルギーを増幅できる再生増幅器を提供することを目的とするものである。
また、固体レーザ媒質としてＹｂ：ＹＡＧ結晶を用いて、小型で高出力のフェムト秒の超短パルス光ビームを出力できる超短パルスレーザを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するために、次のようなパルス増幅器を提供する。
すなわち、本発明は、注入される超短パルスレーザのエネルギーを増幅するための再生増幅器であって、鏡面研磨された円柱形状の固体レーザ結晶からなる固体レーザ媒質と、前記固体レーザ媒質の光軸上に配置され、両端面を励起光で励起するための半導体レーザと、前記固体レーザ媒質の光軸上に光学的に対向配置され、前記固体レーザ媒質の端面に励起光を集光させる一対の集光レンズと、前記固体レーザ媒質の光軸に対する垂直面に傾斜して配置され、励起光を透過させるとともに増幅した超短パルス光を反射する一対の短波長透過フィルタとを有する共振器とを備え、前記半導体レーザからの励起光を前記一対の集光レンズで前記固体レーザ媒質の端面に集光して前記固体レーザ媒質を伝播させて励起して、前記固体レーザ媒質に蓄積されたエネルギーにより、注入された超短パルス光を前記共振器で共振増幅し、増幅された超短パルス光をEO素子と偏光制御素子によって出力することを特徴とする。
【０００８】
上記構成により、半導体レーザからの励起光は、集光レンズにより集光された後に、円柱形状のＹｂ：ＹＡＧ結晶などの固体レーザ結晶の両端面に入射する。Ｙｂ：ＹＡＧ結晶に入射した励起光は側面で全反射してＹｂ：ＹＡＧ結晶内部を伝播してＹｂを励起する。注入された超短パルス光はＹｂ：ＹＡＧ結晶に蓄積されたエネルギーによって増幅されて、共振器の集光レンズ間で反射を繰り返して増幅されると、短波長透過フィルタで反射して共振器外に出力する。
【０００９】
また、本発明によれば、前記集光レンズの焦点距離、前記固体レーザ媒質の端面上のビーム径、若しくは前記固体レーザ媒質のロッド径の少なくとも１以上を調整することにより、前記励起光が前記固体レーザ媒質内で全反射することを特徴とする再生増幅器を提供するものである。
【００１０】
また、本発明によれば、上記において、前記固体レーザ媒質がＹｂ：ＹＡＧ結晶、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶、若しくはセラミックＹｂ：ＹＡＧのいずれかであることを特徴する再生増幅器を提供するものである。このセラミックＹｂ：ＹＡＧは、単結晶YAGによりも作製が容易であり、短期間で、安価に入手できる特徴を有する。また、前記固体レーザ媒質がＹｂ添加バナデート結晶であることを特徴するとしても良い。
【００１１】
また、上記において、前記Ｙｂ添加バナデート結晶は、Ｙｂ：ＹＶＯ４、Ｙｂ：ＧｄＶＯ４、Ｙｂ：ＬｕＶＯ４のいずれかであることを特徴としても良い。
【００１２】
また、本発明は、前記固体レーザ媒質の側面に周設された水冷ユニットを有することを特徴とする再生増幅器を提供するものである。また、前記該円柱形状の固体レーザ媒質の両端面の一部がＹｂ若しくはＮｄのいずれにおいてもドープされていないことを特徴としても良い。さらに、本発明は、フェムト秒の超短パルス光を出力する発振器と、超短パルス光のパルス幅を延伸するパルスストレッチャとを少なくとも備え、前記発振器から出力されたフェムト秒の超短パルス光を、前記パルスストレッチャにより超短パルス光のパルス幅を延伸し、当該延伸された超短パルス光を再生増幅器により再生増幅することを特徴とする超短パルスレーザ出力システムを提供するものである。
【００１３】
上記構成により、超短パルスレーザは、発振器がフェムト秒の超短パルス光を出力すると、発振器からの超短パルス光はパルスストレッチャによりパルス幅が延伸される。半導体レーザからの励起光が、集光レンズにより集光された後に、固体レーザ媒質の両端面に入射する。固体レーザ媒質に入射した励起光が側面で全反射して固体レーザ媒質内部を伝播してＹｂを励起する。延伸された超短パルス光は固体レーザ媒質に蓄積されたエネルギーによって増幅されて、集光レンズ間で反射を繰り返して増幅されると、超短パルス光はEO素子と偏光学素子によって共振器外に出力される。再生増幅器からの超短パルス光はパルスコンプレッサーによりパルス幅が圧縮される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の再生増幅器によれば、上記のような構成および作用により、Ｙｂ：ＹＡＧ結晶などの固体レーザ媒質を有する共振器により超短パルス光のエネルギーを増幅できる。
また、本発明の超短パルスレーザによれば、固体レーザ媒質としてＹｂ：ＹＡＧ結晶を用いて、小型でありながら高出力のフェムト秒の超短パルス光ビームを出力できる。
さらに、本発明により、極めてコヒーレントの高いビームが得ることができ、また、その増幅効率も高く、ビーム強度も高いものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、実施形態は下記に限定されるものではない。
【００１６】
図１に、本実施形態に係る超短パルスレーザ出力システムの概略構成を示す。
超短パルスレーザ出力システムは、シード発振器１、パルスストレッチャ２、再生増幅器３、及びパルスコンプレッサ４を有している。
【００１７】
シード発振器１は、広いスペクトル成分のモードロック超短パルス光、例えば、繰返し周波数５０ＭＨｚ、パルス幅約２００ｆｓ、５００ｍＷより大きいパルスを出力する。パルスストレッチャ２は、グレーティング５及び５枚の折り返しミラー（図示せず）を有し、モジュール化されている。グレーティング５の回折により超短パルス光が波長分散されて空間的に広がって延伸される。超短パルス光は、光学系内で波長ごとに光路が異なっている。
【００１８】
パルスコンプレッサ４は、グレーティング６及び２枚の折り返しミラー（図示せず）を有し、モジュール化されている。グレーティング６の回折により延伸された超短パルス光が圧縮される。上記パルスストレッチャ２は５枚の折り返しミラーの使用、パルスコンプレッサ４は２枚の折り返しミラーの使用によりそれぞれコンパクト化されている。なお、パルスストレッチャ２及びパルスコンプレッサ４は、それぞれがモジュール化されているので、光学定盤に容易に設置できるとともに、光学系を容易に調整できるため、試作段階で予想される光学定盤上で光学系の組換えに柔軟に対応できる。
【００１９】
図２に、再生増幅器の結晶励起部の概略構成を示す。
結晶励起部７は、固体レーザ媒質である円柱形状のＹｂ：ＹＡＧ結晶ロッド（以下、ロッドと略称する。）９と、ロッド９の両側に光軸に対して垂直面から傾斜して配置された一対の短波長透過フィルタ１０と、ロッド９の両端面から所定距離を置いて光学的に対向配置された一対の集光レンズ１１と、一対の集光レンズ１１の外側に配置され、コリメートした励起光を出射する一対の励起用ＬＤ１２と、ロッド９に周設した水冷ユニット１３とを有している。本実施例では、一対の励起用ＬＤを利用しているが、この励起用ＬＤは片側の１つであっても良い。
【００２０】
なお、一対の短波長透過フィルタ１０及び一対の集光レンズ１１から共振器１５が構成されている。また、結晶励起部７を構成するロッド９、一対の短波長透過フィルタ１０、一対の集光レンズ１１、一対の励起用ＬＤ１２、及び水冷ユニット１３は、モジュール化されており、試作段階での光学系の組換えにも容易に対応できるようになっている。
【００２１】
超短パルスレーザは、シード発振器１、パルスストレッチャ２、再生増幅器３、パルスコンプレッサ４、これらの各モジュール間の光路調整用光学系、及びビーム整形用光学系などから構成されている。超短パルスレーザの部材及び部品は、電気機器等のシステム制御用機器を除いて所定サイズ、例えば、１．２ｍ×１．５ｍの光学定盤上に設置されている。
【００２２】
再生増幅器３は、結晶励起部７、共振器１５、EO素子、偏素子であるポッケルスセル、偏光素子であるλ／４板等から構成されており、上記偏光制御素子は共振器１５内への超短パルス光の取り込み、及び増幅超短パルス光の共振器１５外への取り出しを行う。
【００２３】
上記構成を有する超短パルスレーザにおいて、シード発振器１は、例えば、繰返し周波数５０ＭＨｚ、パルス幅約２００ｆｓ、５００ｍＷより大きい平均パワーのモードロック超短パルス光（シード光パルス）を出力する。パルスストレッチャ２は、シード発振器１からの超短パルス光のパルス幅を約２００ｆｓから約４００ピコ秒（ｐｓ）に延伸してピークパワーを下げる。延伸された超短パルス光が偏光制御素子により共振器１５内に取り込まれる。
【００２４】
一方、一対の励起用ＬＤ１２からのコリメートされた励起光は、集光レンズ１１により集光された後に、ロッド９の両端面から入射して、入射した励起光はロッド９の周側面で全反射してロッド９内部を伝播してＹｂ：ＹＡＧ結晶のＹｂを励起する。励起されてロッド９内で発生した熱は水冷ユニット１３により冷却される。
【００２５】
共振器１５内の超短パルス光は、ロッド９に蓄積されたエネルギーによりパルスエネルギーが２０ｎＪ程度から０．１ｍＪ程度に増幅されて、短波長透過フィルタ１０で反射して偏光制御素子により共振器１５外に取り出される。再生増幅器３で超短パルス光は繰返し周波数約１００ＭＨｚから約１００ｋＨｚまでにされ、平均出力が１０Ｗレベルまで増幅される。
そして、パルスコンプレッサ４は、超短パルス光のパルス幅を約４００ｐｓから約２００ｆｓに圧縮して、フェムト秒の超短パルス光ビームを出力できる。
【００２６】
したがって、再生増幅器３は、光学素子等を損傷することなく超短パルス光のエネルギーを増幅することができる。
また、超短パルスレーザは、小型でフェムト秒の超短パルス光ビームを高出力できる。なお、本発明により、超短パルス光ビームの高出力化の効率は、極めて高いものとなる。
【００２７】
次に、再生増幅器３の結晶励起部における集光レンズ１１の焦点距離とロッド９の全反射回数等の試験結果について説明する。
なお、励起用ＬＤ１２は、中心波長９４０ｎｍ、最大出力１６０Ｗ、ロッド９は、直径２．０、２．５、３．０ｍｍ、長さ９０ｍｍ、短波長透過フィルターは、波長９４０ｎｍの励起光を透過して、波長１０３０ｎｍの増幅光を反射する。
また、ロッド９の励起状態の均一性を向上させるためには、ロッド９内で励起用ＬＤ１２からの励起光の全反射回数をできるだけ多くすることが望ましい。本発明によれば、全反射回数は６回程度までは容易に行うことができ、極めて高い増幅効率を実現することができる。
【００２８】
図３（ａ）に、集光レンズの焦点距離と、ロッドへの励起光の入射角度及びロッド端面上のビーム径との関係を示す。ここで、横軸に集光レンズの焦点距離（単位ｍｍ）、縦軸にビーム径（単位ｍｍ）、入射角度（単位ｄｅｇ．）を示している。
図３（ｂ）に、各直径のロッドにおける集光レンズの焦点距離とロッド内での全反射回数との関係を示している。ここで、横軸に集光レンズの焦点距離（単位ｍｍ）、縦軸に全反射回数を示している。なお、励起用ＬＤの励起光はロッドの入射側と反対側の端面に達すると仮定する。
【００２９】
図３（ａ）に示すように、集光レンズ１１の焦点距離が長くなるにつれて、ロッド９端面上のビーム径が徐々に大きくなり、集光レンズ１１の焦点距離が長くなるにつれて、入射角が徐々に小さくなる。
図３（ｂ）に示すように、長焦点のレンズ例えば、焦点距離１００ｍｍの集光レンズ１１を使用した場合、ロッドでの全反射の回数は２〜４回と少ない。したがって、このような全反射回数でロッド９の励起状態を均一にすることはむずかしい。
【００３０】
一方、比較的短焦点、例えば、焦点距離４０及び５０ｍｍの集光レンズ１１を使用した場合、ロッド９径によって差があるが全反射回数は略６〜１１回と多くなる。これにより、ロッド９内部で、ある程度均一な励起状態にすることができる。
【００３１】
次に、パルスストレッチャ２及びパルスコンプレッサ４の設計及び製作について具体的に説明する。
なお、パルスストレッチャ２及びパルスコンプレッサ４の光学系を通過した後のパルスの延伸幅及び圧縮幅は、光学系内のグレーティング５，６の単位長さ当たりの構数、入射ビームの波長、グレーティング５，６への入射角度、パルスの波長幅、及びグレーティング５，６、レンズ等の光学素子の配置によって決まる。
【００３２】
パルスストレッチャ２は、溝数１８００ｇｒ／ｍｍのグレーティング５及び焦点距離０．８ｍのレンズを使用し、グレーティング５間の距離を２．５ｍとすることで、パルス延伸幅約４２０ｐｓとなるように設計、製作した。
【００３３】
また、パルスコンプレッサ４は、溝数１８００ｇｒ／ｍｍのグレーティング６を使用して、グレーティング６間隔を０．７ｍとすることで、パルス圧縮幅約４２０ｐｓとなるように設計、製作した。
【００３４】
次に、再生増幅器３の特性を評価するためのＣＷ発振試験の結果について説明する。
図４に、発振試験した再生増幅器の要部の概略構成を示す。
図４に示す再生増幅器の要部は、結晶励起部７（図２参照）に短波長透過フィルタ１０を透過した波長１０３０ｎｍの超短パルス光を透過させる部分反射ミラー（反射率は８０％）１７と、短波長透過フィルタ１０からの超短パルス光を全反射する全反射ミラー１８とを有している。
【００３５】
図５aに、再生増幅器の共振器によるＣＷ入出力特性を示す。
ここで、横軸に励起パワー（単位Ｗ）、縦軸にレーザパワー（単位Ｗ）を示している。
励起用ＬＤ１２の励起パワーが増大するにつれて、レーザパワーも増大して、励起パワー３２０Ｗでレーザパワーが１６Ｗになっている。したがって、再生増幅器３はパルスストレッチャ２で延伸された超短パルス光を増幅することにより１０Ｗレベルの平均出力にすることも可能となる。
また、図５bには、本発明により得られるレーザプロファイルの説明図を示す。この説明図は、実際に観察されるレーザプロファイルを反映させたものであるが、図示されるように、レーザ強度の高い中心部分から段々にその強度が弱まる外周部分においても、均等な円状の形状となる良好なレーザであることが示されている。図５Cは、図５ｂで示す線にしたがってレーザの断面を捉え、その強度分布を示す模式図である。本発明によるレーザのプロファイルは、高いレーザ強度を有する中心部分から均等にレーザ強度が低下するものであり、強度分布はほぼ正規分布にしたがったものとなる。
【００３６】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものではない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。例えば、上述した実施形態において、共振器１５内と再生増幅器３からパルスコンプレッサ４通過後のレーザ光の取り出し口までとのビーム光路上のミラーは、パルスコンプレッサ４のビーム折り返し用ルーフミラー５０ｍｍ×３０ｍｍを除いて、直径１インチあるいは直径２５ｍｍのミラーに変換可能に設計することもできる。
【００３７】
上述した実施形態では、固体レーザ媒質としてＹｂ：ＹＡＧ結晶を用いるようにしたが、これに代えて、Ｙｂ添加バナデート結晶であるＹｂ：ＹＶＯ４、Ｙｂ：ＧｄＶＯ４、Ｙｂ：ＬｕＶＯ４を用いることもできる。
【００３８】
本発明のパルス増幅装置は、レーザ加工装置の光源部分の基礎、レーザ加工システムに搭載する光源として使用できるとともに、ミラー等の光学素子の特性を計測するための評価装置として使用できるため産業上の利用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本実施形態に係る超短パルスレーザの概略構成を示す図である。
【図２】再生増幅器の結晶励起部の概略構成を示す図である。
【図３】（ａ）集光レンズの焦点距離と、Ｙｂ：ＹＡＧ結晶ロッドへの励起光の入射角度及びロッド端面上のビーム径との関係を示す図で、（ｂ）各直径のロッドにおける集光レンズの焦点距離とロッド内での全反射回数との関係を示す図である。
【図４】発振試験した再生増幅器の結晶励起部の概略構成を示す図である。
【図５】（ａ）再生増幅器の共振器によるＣＷ入出力特性を示す図である。（ｂ）レーザプロファイルを示す説明図である。（ｃ）レーザの断面方向における強度分布を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４０】
１    シード発振器
２    パルスストレッチャ
３    再生増幅器
４    パルスコンプレッサ
９    Ｙｂ：ＹＡＧ結晶ロッド（固体レーザ媒質）
１０  短波長透過フィルタ
１１  集光レンズ
１２  励起用ＬＤ
１３  水冷ユニット
１５  共振器
【図１】
2008277705.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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