(57)【要約】【課題】モードロックレーザ装置において、小型化および低コスト化を図る。【解決手段】  共振器１１と、該共振器１１内に配置されたモード同期素子３と、共振器１１内に配置された固体レーザ媒質４と、該固体レーザ媒質４に励起光Ｌｅを入射させる励起手段１２とを備えたモードロックレーザ装置１０において、共振器１１内に光学的光路長を制御して、パルス光の繰返しを低下させるための高屈折率光学媒質６を配置する。【選択図】図１
2008060317.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振器と、該共振器内に配置されたモード同期素子と、該共振器内に配置された固体レーザ媒質と、該固体レーザ媒質に励起光を入射させる励起手段とを備えたモードロックレーザ装置において、
前記共振器内に光学的光路長を制御して、パルス光の繰返しを低下させるための高屈折率光学媒質を配置したことを特徴とするモードロックレーザ装置。
【請求項２】
前記共振器の光学的光路長が該共振器の幾何学的長さの１．４５倍以上であることを特徴とする請求項１記載のモードロックレーザ装置。
【請求項３】
前記共振器の光学的光路長が該共振器の幾何学的長さの1．６倍以上であることを特徴とする請求項１記載のモードロックレーザ装置。
【請求項４】
前記モード同期素子と、前記固体レーザ媒質と、前記高屈折率光学媒質とが、一体化されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載のモードロックレーザ装置。
【請求項５】
前記高屈折率光学媒質が、前記共振器の一端に配置された共振器ミラーと、前記モード同期素子と、前記固体レーザ媒質とを保持するホルダーを兼ねるものであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載のモードロックレーザ装置。
【請求項６】
前記高屈折率光学媒質が、多結晶体であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載のモードロックレーザ装置。
【請求項７】
前記固体レーザ媒質が、多結晶体であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載のモードロックレーザ装置。
【請求項８】
前記高屈折率光学媒質の熱伝導率が５．５Ｗ／ｍ／Ｋ以上であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載のモードロックレーザ装置。
【請求項９】
前記高屈折率光学媒質が、前記固体レーザ媒質であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１記載のモードロックレーザ装置。
【請求項１０】
前記モード同期素子が、可飽和吸収体であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項記載のモードロックレーザ装置。
【請求項１１】
前記可飽和吸収体が、半導体可飽和ミラーデバイスであることを特徴とする請求項１０記載のモードロックレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、励起光源からの励起光により固体レーザ媒質から発振光を発生させ、モードロックさせることによりパルスレーザを出力するモードロックレーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、パルス幅がピコ秒またはフェムト秒のパルスレーザ光は、その非常に大きなパルスエネルギーによって誘起される非線形効果を利用した２光子顕微鏡等の医療診断やマーキング等のレーザ加工への応用が期待されている。
【０００３】
パルスレーザ光を生成する方法としては、共振器内に配置された固体レーザ媒質を半導体レーザなどで励起し、発振している多くの縦モードの位相を同期させる「モード同期（モードロック）」方式があり、この方式でレーザ光を生成するレーザ装置をモードロックレーザ装置と称している。現在市販されているモードロックレーザ装置の大半は、励起光学系および共振器構造が複雑であるために、部品点数が多く、サイズも大型なものとなっており、そのために部品コストおよびパッケージコストが高くなり、装置全体が非常に高価なものとなっている。
【０００４】
そのような中、非特許文献１には、Ｎｄをドープした固体レーザ媒質を用い、簡素な共振器構造でモード同期を行う装置が開示されている。図５にその概略構成を示すモードロックレーザ装置１００は、共振器１１１と励起手段１１２が同一光軸上に配置された直線型共振器構造を有し、出力光Ｌｏｕｔは励起手段１１２内に配置されたダイクロイックミラー１０４から出力される。モードロックレーザ装置１００の共振器１１１は、共振器ミラー１０６と、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４からなる固体レーザ媒質１０７と、ＳＥＳＡＭ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｓａｔｕｒａｂｌｅ  Ａｂｓｏｒｂｅｒ  Ｍｉｒｒｏｒｓ）からなる発振光Ｌ０のモード同期を誘起するモード同期素子１０８とから構成される簡素な構造となっている。
【０００５】
しかし、モードロックレーザ装置１００の励起手段１１２は、半導体レーザ１０１と、Ｆａｓｔ−ａｘｉｓコリメートレンズ１０２と、Ｓｌｏｗ−ａｘｉｓコリメートレンズ１０３と、アクロマートレンズ１０５とからなり、励起光Ｌｅの集光光学系として３枚のレンズが使用されている。そのため、モードロックレーザ装置１００は集光光学系だけで全長１５０ｍｍもの大きさとなっている。
【０００６】
モードロックレーザ装置１００が、上記のように複数枚のレンズを使用している理由は、固体レーザ媒質１０７内にビーム径が２０μｍ程度の小さな励起光ビームウェストを形成し、この励起光ビームウェストでの励起光ビームと、固体レーザ媒質１０７内の発振光ビームとのモードマッチを高め、発振効率を高めるためである。
【０００７】
現在市販されているマルチモード高出力半導体レーザは、エミッターサイズが最も小さいものでも１００μｍもあるため、励起光の集光光学系としてセルフォックレンズや単レンズのみの簡素な光学系を用いたのでは、固体レーザ媒質中に形成される励起光ビームウェスト径は５０μｍもの大きさになってしまい、発振効率が低下してしまう。以上のことから、図１に示すモードロックレーザ装置１００では、励起光学系に複数枚のレンズを用いているのである。
【０００８】
一方、モード同期を誘起するには下式（１）に示すパルスエネルギーＥＰ，ｃ（以下、モード同期閾値と称する）を共振器内に生成することが必要である（非特許文献２参照）。ここで、Ｆｓａｔ，Ｌ：固体レーザ媒質の飽和フルーエンス、Ａｅｆｆ，Ｌ：固体レーザ媒質中での発振ビームモード面積、Ｆｓａｔ，Ａ：ＳＥＳＡＭの飽和フルーエンス、Ａｅｆｆ，Ａ：ＳＥＳＡＭ上での発振ビームモード面積、ΔＲ：ＳＥＳＡＭの変調深さである。
【数１】
2008060317.tif 000003
【０００９】
励起光ビームウェスト径が大きくなると、発振効率が低下し、共振器内のパルスエネルギーＥＰ，ｉ（以下、共振器内パルスエネルギーと称する）が小さくなり、共振器内パルスエネルギーＥＰ，ｉが、モード同期閾値ＥＰ，ｃを上回ることができず、モード同期が誘起されなくなる。
【００１０】
共振器内パルスエネルギーＥＰ，ｉと共振器内の平均エネルギーＰａｖｅとは下式（２）に示すような関係がある。ここで、ν：パルス光の繰り返し周波数である。
【数２】
2008060317.tif 000004
【００１１】
式（２）より、平均エネルギーＰａｖｅが小さくても、パルス光の繰り返し周波数νを小さくすれば、共振器内パルスエネルギーＥＰ，ｉを大きくできることがわかる。つまり、励起光ビームウェスト径が大きいために、発振効率が低下しても、パルス光の繰り返し周波数νを小さくすることで、モード同期閾値ＥＰ，ｃを上回る共振器内パルスエネルギーＥＰ，ｉを生成することが可能になる。
【００１２】
なお、パルス光の繰り返し周波数νは下式（３）に示すように、光の速度ｃを、パルス光が共振器内を往復するときの光学的光路長Ｌで割ったものである。
【数３】
2008060317.tif 000005
【００１３】
また、光学的光路長Ｌは、幾何学的な長さと屈折率の積であり、共振器内部の屈折率ｎが一定の場合には、その屈折率ｎおよび共振器の幾何学的長さｌを用いて、下式（４）のように表される。特許文献１には、共振器光軸を複数回折り返すことによって、幾何学的長さｌを長くし、光学的光路長Ｌを長くする構成が記載されている。
【数４】
2008060317.tif 000006
【非特許文献１】Opt Lett. 15. 2629 (2004)
【非特許文献２】J. Opt. Soc. Am. B, 16. 46 (1999)
【特許文献１】特表2001-525999号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、特許文献１に記載されたように共振器光軸を複数回折り返して光学的光路長Ｌを長くしようとすると、装置の大型化を招き、パッケージコストが高くなってしまうという問題がある。また、共振器光軸を折返すための共振器ミラーの変動に対し、共振器光軸の変化が大きくなり、出力が不安定なものとなってしまうため、安定した出力を得るには、共振器ミラーを高精度に作製、配置する必要があり、コストアップにつながるという問題がある。
【００１５】
本願発明は、上記事情を鑑みてなされたものであって、小型で安価なモードロックレーザ装置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】
【００１６】
本発明のモードロックレーザ装置は、共振器と、該共振器内に配置されたモード同期素子と、該共振器内に配置された固体レーザ媒質と、該固体レーザ媒質に励起光を入射させる励起手段とを備えたモードロックレーザ装置において、共振器内に光学的光路長を制御して、パルス光の繰返しを低下させるための高屈折率光学媒質を配置したことを特徴とするものである。
【００１７】
ここで、「光学的光路長」とは、ある媒質内を光が通過するときにその経路に沿った幾何学的な長さと該媒質の屈折率の積であり、例えば、幾何学的長さがｌであり、媒質の屈折率が一定値ｎであるときの光学的光路長はｎｌとなる。
【００１８】
前記共振器の光学的光路長が該共振器の幾何学的長さの１．４５倍以上、好適には１．６以上であることが望ましい。すなわち、前記高屈折率光学媒質の屈折率が１．４５以上、好適には１．６以上であることが望ましい。
【００１９】
上記装置において、前記モード同期素子と、前記固体レーザ媒質と、前記高屈折率光学媒質とが、一体化されているよう構成してもよい。
【００２０】
また、前記高屈折率光学媒質が、前記共振器の一端に配置された共振器ミラーと、前記モード同期素子と、前記固体レーザ媒質とを保持するホルダーを兼ねるよう構成してもよい。
【００２１】
前記高屈折率光学媒質が、多結晶体であってもよく、または前記固体レーザ媒質が、多結晶体であってもよい。
【００２２】
また、前記高屈折率光学媒質の熱伝導率が５．５Ｗ／ｍ／Ｋ以上であることが望ましい。
【００２３】
また、前記高屈折率光学媒質が、前記固体レーザ媒質であってもよい。
【００２４】
前記モード同期素子が、可飽和吸収体であってもよく、前記可飽和吸収体としては、半導体可飽和ミラーデバイスであってもよい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明のモードロックレーザ装置では、共振器内に高屈折率光学媒質を配置しているため、共振器内の幾何学的長さを長くすることなく、共振器の光学的光路長を長くすることができ、パルス光の繰返しを低下することができる。特に、共振器の光学的光路長を幾何学的長さの１．４５倍以上にすれば、安価な合成石英等の光学部材を使用可能になり、後に詳述するように、小型のモードロックレーザ装置を安価に提供することができる。また、共振器の光学的光路長を幾何学的長さの１．６倍以上にすれば、後に詳述するように、現在市販されている半導体レーザを用いて掌サイズの小型の共振器構成を実現できる。
【００２６】
そして、本発明のモードロックレーザ装置によれば、共振器の光学的光路長を長くすることにより、繰り返し周波数νを小さくし、これにより高密度励起をすることなく、共振器内パルスエネルギーＥＰ，ｉを大きくできるため、従来必要とされていた固体レーザ媒質中の小さな励起光ビームウェストの形成が必要ではなくなる。つまり、本発明のモードロックレーザ装置では、従来の装置に比べて、設計上の制限事項が減り、より自由度の高い設計が可能となる。具体的には、励起光を集光する集光光学系としてセルフォックレンズや単レンズのみの簡素な構成を採用することが可能になり、これにより部品点数削減および小型化によるパッケージコストの低減が実現でき、小型で安価なモードロックレーザ装置を提供することができる。
【００２７】
なお、本発明のモードロックレーザ装置において、モード同期素子と、固体レーザ媒質と、高屈折率光学媒質とが、一体化されているよう構成した場合には、これらを一括して取り扱うことができるため、製造工程の簡素化が可能になり、低コスト化が期待できる。
【００２８】
また、高屈折率光学媒質が、共振器の一端に配置された共振器ミラーと、モード同期素子と、固体レーザ媒質とを保持するホルダーを兼ねるように構成した場合には、部品点数削減による低コスト化が可能になる。
【００２９】
また、多結晶体は、多結晶体を形成する媒質の微粉末を成形、焼結することにより生成される。成形時に任意の形状とすることで、任意の多結晶体を得ることができるため、非常に加工性が高い。そのため、高屈折率光学媒質が、多結晶体であれば、ホルダー形状等に容易に加工することができる。
【００３０】
また、高屈折率光学媒体および固体レーザ媒質が多結晶体であり、両者がセラミックスコンポジットに形成されたものであれば、高精度の研磨および正確なコンタクトが必要とされるオプティカルコンタクトよりも、容易に一体化素子を生成することができ、製造工程の簡素化が可能になる。
【００３１】
なお、高屈折率光学媒質の熱伝導率が５．５Ｗ／ｍ／Ｋ以上であれば、効率良く放熱することができ、固体レーザ媒質の温度上昇を抑制することができる。
【００３２】
また、高屈折率光学媒質が、固体レーザ媒質であるならば、部品点数削減による低コスト化が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００３４】
図１は、本発明の第１の実施形態によるモードロックレーザ装置１０の概略構成を示すものである。モードロックレーザ装置１０は、共振器ミラー７およびモード同期を誘起するモード同期素子である可飽和吸収体ミラー３によって両端が構成された共振器１１と、該共振器の光軸と垂直方向に光軸を有し該共振器内に励起光Ｌｅを入射させる励起手段１２とを備えている。共振器１１内には、可飽和吸収体ミラー３と、固体レーザ媒質４と、ダイクロイックミラー５と、高屈折率光学媒質６と、共振器ミラー７がこの順に配置されている。励起手段１２は、励起光源であり励起光Ｌｅを出射する半導体レーザ１と、該半導体レーザ１からの励起光Ｌｅを集光して固体レーザ媒質４に入射させるためのレンズ２とを備えている。
【００３５】
モードロックレーザ装置１０では、共振器の幾何学的長さを長くすることなく、共振器１１内の光学的光路長を長くするために、共振器１１内部の励起光ＬＯの光路中に高屈折率光学媒質６を配置している。光学的光路長は、上述したように幾何学的な長さと屈折率の積である。パルス光が共振器内を往復するときの光学的光路長Ｌは、共振器内部の屈折率ｎが一定の場合には、上述の式（４）のように表されるが、共振器内部の屈折率が一定でない場合は、共振器内部の光路上の各点ｚにおける屈折率ｎ（ｚ）を用いて下式（５）のように表される。
【数５】
2008060317.tif 000007
【００３６】
式（３）および式（２）によれば、光学的光路長Ｌを長くすることにより、パルス光の繰り返し周波数νを小さくすることができ、共振器内パルスエネルギーＥＰ，ｉを大きくすることができ、従来のような高密度励起をしなくても、モード同期を誘起することができる。
【００３７】
高屈折率光学媒質６として、本実施形態では、屈折率が２．１６７であるノンドープの厚さ２０ｍｍのＹＶＯ４を用いている。そして、共振器１１の光学的光路長が幾何学的長さの１．６倍以上になるように、高屈折率光学媒質６の光軸方向の長さが設定されている。具体的には、共振器１１の幾何学的長さの５１％を、屈折率が２．１６７であるノンドープのＹＶＯ４で占めるようにすれば、共振器１１の光学的光路長が幾何学的長さの１．６倍になる。高屈折率光学媒質６の両端面には、１０６４±１ｎｍの波長に対し反射率が０．１％以下の反射防止コートが施されている。共振器１１内において、固体レーザ媒質４と高屈折率光学媒質６はそれぞれの光軸が一致した状態で配置されている。
【００３８】
固体レーザ媒質４としては、Ｎｄが２％ドープされた厚さ１ｍｍのＮｄ：ＹＶＯ４を用いている。固体レーザ媒質４の他端面には、１０６４±１ｎｍの波長に対し反射率が０．１％以下の反射防止コートが施されている。固体レーザ媒質４の一端面には、可飽和吸収体ミラー３の一端面が、オプティカルコンタクト法によって接着されている。
【００３９】
可飽和吸収体ミラー３は、可飽和吸収体であり、半導体可飽和ミラーデバイスであるＳＥＳＡＭ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｓａｔｕｒａｂｌｅ  Ａｂｓｏｒｂｅｒ  Ｍｉｒｒｏｒｓ、ＢＡＴＯＰ社製）を用いている。可飽和吸収体ミラー３は、１０６４ｎｍの波長に対し変調深さ０．５％、内在ロス０．５％、飽和フルーエンス９０μＪ／ｃｍ２を有している。
【００４０】
共振器ミラー７は、一端面が曲率２３ｍｍの凹面、他端面が平面の凹面ミラーであり、凹面が共振器内部に対向するように配置されている。共振器ミラー７の凹面には１０６４±１ｎｍの波長に対し９９．９％の反射率を有する高反射コートが施されている。
【００４１】
なお、可飽和吸収体ミラー３と固体レーザ媒質４と高屈折率光学媒質６と共振器ミラー７とは、無酸素銅からなる一体型ホルダー（不図示）に保持されている。
【００４２】
ダイクロイックミラー５は、レンズ２からの励起光Ｌｅの進行方向を変えて固体レーザ媒質４に入射させるものであり、その両端面には、１０６４±１ｎｍの波長に対し反射率０．１％以下の反射防止コートおよび８０８±２ｎｍの波長に対し反射率９５％以上の高反射コートが施されている。
【００４３】
励起光源である半導体レーザ１は、マルチモード高出力半導体レーザであり、例えばエミッターサイズ１００μｍ、最大出力３Ｗ（ｎｌｉｇｈｔ社製）のものを使用できる。レンズ２としては、ここではセルフォックレンズ（日本板硝子製、登録商標）を使用している。本実施形態のモードロックレーザ装置１０では、固体レーザ媒質１０７内に小さな励起光ビームウェスト径を形成して発振効率を高める必要がないため、励起光の集光光学系として１つのセルフォックレンズを採用している。
【００４４】
上記構成のモードロックレーザ装置１０において、半導体レーザ１から出射された励起光Ｌｅはレンズ２により集光されてダイクロイックミラー５により反射されて光路を９０度曲げられた後、固体レーザ媒質４に入射して固体レーザ媒質４を励起する。固体レーザ媒質４から出射した光は、共振器ミラー７と可飽和吸収体ミラー３により両端部を構成された共振器１１内で高屈折率光学媒質６内を進行して発振光Ｌｏとなり、その一部は出力光Ｌｏｕｔとして共振器ミラー７から出力される。
【００４５】
上記構成の共振器構造により、固体レーザ媒質４内に平均発振光ビーム半径６０μｍのビームを形成することができた。
【００４６】
また、固体レーザ媒質４内に励起光ビームウェスト径５５μｍのビームを形成することができた。そして、本モードロックレーザ装置１０によって、励起出力３Ｗに対し、繰返し周波数νが３ＧＨｚ、パルス幅１５ｐｓ、発振出力４７ｍＷのパルスレーザ光を得ることができた。共振器内パルスエネルギーＥＰ，ｉは１５．５ｎＪであり、本モードロックレーザ装置１０において、式（１）によるモード同期閾値ＥＰ，ｃは１４．９ｎＪであるから、共振器内パルスエネルギーＥＰ，ｉがモード同期閾値ＥＰ，ｃを上回っており、モード同期を誘起する条件を満たしている。これは、本実施形態のモードロックレーザ装置１０では、屈折率が２．１６７と大きな値を有するＹＶＯ４を高屈折率光学媒質６として共振器１１内に配置しているため、繰返し周波数νが３ＧＨｚとなっていることによる。
【００４７】
これに対して、高屈折率光学媒質６の代りに空気などの屈折率１の媒質を用いた場合には、繰返し周波数νが５．８ＧＨｚとなり、共振器内パルスエネルギーＥＰ，ｉが８．２ｎＪとなり、共振器内パルスエネルギーＥＰ，ｉがモード同期閾値ＥＰ，ｃを下回ってしまう。現在市販されているエミッターサイズが１００μｍのマルチモード高出力半導体レーザの最大出力は３Ｗしかないため、本実施形態のモードロックレーザ装置１０のように繰返し周波数νを小さくするためのＹＶＯ４等の高屈折率光学媒質６を共振器１１内に挿入しなければモード同期を誘起することはできない。
【００４８】
共振器の小型化を考えるとき、共振器の大きさとしては掌サイズの約５０ｍｍが目安となる。共振器長が５０ｍｍ以下であり、かつ高安定なモードロックレーザ装置を得るためには、半導体レーザ１および固体レーザ媒質４からの発熱を抑えるために、励起出力が１Ｗ以下であることが望ましい。また、モードロックレーザ装置１０のような凹面ミラーと平面ミラーからなる共振器においては、共振器内の発振光ビームウェスト径が小さくなればなるほど、共振器長の変動に対する発振光ビームウェスト径の変化が大きくなり、出力の不安定性が増す。そのため、発振光ビームウェスト径は大きい方が望ましく、具体的には共振器長５０ｍｍ以下の共振器では６０μｍ以上であることが望ましい。
【００４９】
また、集光光学系を小型化するためには複数のレンズの使用を避け、セルフォックレンズや単レンズを使用することになる。現在市販されているマルチモード高出力半導体レーザのうち、最も小さいエミッターサイズは１００μｍであるが、この半導体レーザを励起光源としてその励起光をセルフォックレンズや単レンズにより集光すると、励起光ビームウェスト径は最小でも５０μｍ程度のものとなる。
【００５０】
上記現状を考慮し、本実施形態のモードロックレーザ装置１０と同様の構成を有するモードロックレーザ装置において、固体レーザ媒質中での励起光ビームウェスト径が５０μｍ、平均発振光ビーム半径が６５μｍ、可飽和吸収体ミラー３上の発振光ビームウェスト径が６０μｍ、固体レーザ媒質４に最も小さな飽和フルーエンスＦｓａｔ，Ｌが得られるＮｄ：ＹＶＯ４を用い、半導体可飽和吸収ミラーとして現在市販されているＳＥＳＡＭの中で最も小さい飽和フルーエンスＦｓａｔ，Ａおよび変調深さΔＲを用い、具体的にはこれらの値がＦｓａｔ，Ａ  ：９０μＪ／ｃｍ２、ΔＲ：０．５％とした場合の共振器内パルスエネルギーＥＰ，ｉの共振器長依存性を図２に示す。また、上記条件でのモード同期閾値ＥＰ，ｃである１４．５ｎＪを図２に点線で示す。
【００５１】
図２では、共振器内を屈折率１．６の媒質で満たした場合と、共振器内を屈折率１の媒質、例えば空気で満たした場合のそれぞれについての共振器長依存性を、ｎ＝１．６、ｎ＝１を付して示している。上述した光学的光路長の定義より、共振器内を屈折率１．６の媒質で満たした場合、共振器の光学的光路長は幾何学的長さの１．６倍である。
【００５２】
図２より、モード同期が誘起されるためには、ｎ＝１の場合では共振器長が８０ｍｍ以上になってしまうことがわかる。また、図２より、共振器長５０ｍｍ以下の掌サイズの共振器構造を有するモードロックレーザ装置を実現するためには、光学的光路長を幾何学的長さの１．６倍以上にする必要があることがわかる。したがって、共振器１１の光学的光路長を共振器１１の幾何学的長さの１．６倍以上になるように高屈折率光学媒質６を配置した本実施形態のモードロックレーザ装置１０によれば、掌サイズの共振器構造を有する小型のモードロックレーザ装置を実現することができる。
【００５３】
また、高屈折率光学媒質として、安価な合成石英を用いれば、合成石英の屈折率が１．４５であるため、共振器の光学的光路長を幾何学的長さの１．４５倍にすることができ、高屈折率光学媒質を用いない場合に比べ、共振器長が１／１．４５の小型のモードロックレーザ装置を安価に提供することができる。共振器の光学的光路長の上限としては、高屈折率光学媒質としてダイヤモンドを用いた場合の２．４倍が考えられる。
【００５４】
次に、本発明の第２の実施形態によるモードロックレーザ装置２０について説明する。図３は本発明の第２の実施形態のモードロックレーザ装置２０の概略構成を示すものである。第１の実施形態のモードロックレーザ装置１０と同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略し、主として第１の実施形態と異なる点について説明する。
【００５５】
第１の実施形態のモードロック装置１０では、共振器光軸方向と垂直な方向から入射される励起光Ｌｅをダイクロイックミラー５により折返し、固体レーザ媒質４に入射していたが、第２の実施形態のモードロックレーザ装置２０は、共振器２１と励起手段２２が同一光軸上に配置された直線型共振器構造を有するものである。より詳しくは、モードロックレーザ装置２０では、励起手段２２を構成する半導体レーザ１およびレンズ２、共振器ミラー２７、固体レーザ媒質４、高屈折率光学媒質６、モード同期素子である可飽和吸収体ミラー２３の順に配置されて、共振器ミラー２７と可飽和吸収体ミラー２３により共振器２１の両端が構成され、共振器ミラー２７側から共振器光軸と一致させて励起光Ｌｅが入射される。
【００５６】
モードロックレーザ装置２０においても、第１の実施形態のモードロック装置１０と同様に、共振器２１の光学的光路長が共振器２１の幾何学的長さの１．６倍以上になるように高屈折率光学媒質６が共振器２１内に配置されている。
【００５７】
共振器ミラー２７は、一端面が曲率１０ｍｍの凹面、他端面が平面の凹面ミラーであり、凹面が共振器内部に対向するように配置されている。共振器ミラー２７の凹面には８０８±２ｎｍの波長に対して５％以下の反射防止コートおよび１０６４ｎｍ±１ｎｍの波長に対して９９．９９％以上の高反射コートが施されており、共振器の平面には８０８±２ｎｍおよび１０６４ｎｍ±１ｎｍの波長に対して５％以下の反射防止コートが施されている。
【００５８】
可飽和吸収体ミラー２３は、可飽和吸収体であり、半導体可飽和ミラーデバイスであるＳＥＳＡＭを用いている。可飽和吸収体ミラー２３は、１０６４ｎｍの波長に対し透過率０．３％、変調深さ１．２％、内在ロス０．８％、飽和フルーエンス９０μＪ／ｃｍ２を有している。
【００５９】
固体レーザ媒質４と高屈折率光学媒質６の対向する各端面、および高屈折率光学媒質６と可飽和吸収体ミラー２３の対向する各端面は、オプティカルコンタクト法によって接着されており、固体レーザ媒質４と高屈折率光学媒質６と可飽和吸収体ミラー２３とは一体化されて、これらは無酸素銅からなる一体型ホルダー（不図示）に保持されている。
【００６０】
上記構成のモードロックレーザ装置２０において、半導体レーザ１から出射された励起光Ｌｅはレンズ２により集光されて共振器ミラー２７を透過して固体レーザ媒質４に入射する。励起光Ｌｅにより励起された固体レーザ媒質４から出射した光は、共振器ミラー２７と可飽和吸収体ミラー２３により両端部を構成された共振器１２内で高屈折率光学媒質６内を進行して発振光Ｌｏとなり、その一部は出力光Ｌｏｕｔとして可飽和吸収体ミラー２３から出力される。
【００６１】
モードロックレーザ装置２０では、励起光ビームウェスト位置は固体レーザ媒質４に位置しているが、発振光ビームウェスト位置は高屈折率光学媒質６と可飽和吸収体ミラー２３の接着面に位置している。このように発振光ビームウェスト位置から固体レーザ媒質４が離れて配置されている場合、固体レーザ媒質４中での平均発振ビーム半径が大きくなってしまい、固体レーザ媒質４中での発振ビームモード面積Ａｅｆｆ，Ｌが大きくなってしまう。そのため、従来の装置においては、現在市販されているマルチモード高出力半導体レーザで得られる共振器内パルスエネルギーＥＰ，ｉでは、式（１）のモード同期閾値ＥＰ，ｃが上回ることができず、モード同期を誘起することができなかった。
【００６２】
これに対して、本実施形態のモードロックレーザ装置２０では、共振器２１内に高屈折率光学媒質６を配置することによって、繰返し周波数νを小さくすると共に、発振光ビームウェスト位置からの離隔に伴う発振光のビーム径の広がりを抑えることができるため、固体レーザ媒質４が発振光ビームウェスト位置から離れた位置に配置されていても、モード同期を誘起することが可能となる。実際に、本モードロックレーザ装置２０を用いて、励起出力３Ｗにおいて、繰返し３．５ＧＨｚ、パルス幅１２ｐｓ、発振出力８２ｍＷのパルスレーザ光を得ることができた。
【００６３】
なお、上記の第１，第２の実施形態においては、無酸素銅の一体型ホルダーで固体レーザ媒質、高屈折率光学媒質、可飽和吸収体ミラー等の光学素子を保持したが、励起光および発振光を吸収しない材質により高屈折率光学媒質３６を構成し、図４に示すように、これを共振器ミラー２７と固体レーザ媒質４と可飽和吸収体ミラー２３とを保持する一体型ホルダーとして兼用してもよい。この場合には固体レーザ媒質のホルダー接着面における熱冷却効果を高めることができる。
【００６４】
さらに、高屈折率光学媒質として熱伝導率が大きい、具体的には熱伝導率が５．５Ｗ／ｍ／Ｋ以上である材質を選択すれば、固体レーザ媒質と高屈折率光学媒質が直接接触している場合、およびこれらがホルダー等を介して間接的に接触している場合には、固体レーザ媒質での発熱を効率よく放熱することができ、固体レーザ媒質に対する熱冷却効果を高めることができる。具体的には例えば、高屈折率光学媒質として結晶であるＧｄＶＯ４（熱伝導率１１．７［Ｗ／ｍ／Ｋ］）、固体レーザ媒質としてＮｄ：ＹＶＯ４（熱伝導率５．１［Ｗ／ｍ／Ｋ］）を採用することができる。
【００６５】
また、セラミックス等の多結晶体は、多結晶体を形成する媒質の微粉末を成形、焼結することにより生成される。成形時に任意の形状とすることで、任意の多結晶体を得ることができため、非常に加工性が高い。そのため、高屈折率光学媒質が例えばＹＡＧ、Ｙ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12、Ｌｕ2Ｏ3、Ｙ3ＳｃＡｌ4Ｏ12等のセラミックス等の多結晶体であれば、高屈折率光学媒質を容易にホルダー形状に加工することが可能である。また、固体レーザ媒質および高屈折率光学媒質がそれぞれＹＡＧ、Ｙ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12、Ｌｕ2Ｏ3、Ｙ3ＳｃＡｌ4Ｏ12等の多結晶体であれば、両者をセラミックスコンポジットに形成することができ、その場合には高精度の研磨および正確なコンタクトが必要とされるオプティカルコンタクトよりも、容易に一体化素子を生成することができる。
【００６６】
なお、本発明のモードロックレーザ装置を構成するモード同期素子、固体レーザ媒質、高屈折率光学媒質、共振器ミラー等の仕様は、上記で説明した実施形態の構成に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の第１の実施形態のモードロックレーザ装置の概略構成図
【図２】共振器内パルスエネルギーの共振器長依存性を示す図
【図３】本発明の第２の実施形態のモードロックレーザ装置の概略構成図
【図４】高屈折率光学媒質をホルダーにしたときの概略構成を示す断面図
【図５】従来のモードロックレーザ装置の概略構成図
【符号の説明】
【００６８】
１    半導体レーザ
２    レンズ
３、２３    可飽和吸収体ミラー（モード同期素子）
４    固体レーザ媒質
５    ダイクロイックミラー
６、３６    高屈折率光学媒質
７、２７    共振器ミラー
１０、２０    モードロックレーザ装置
１１、２１    共振器
１２、２２    励起手段
Ｌｅ    励起光
Ｌ０    発振光
Ｌｏｕｔ    出力光
【図１】
2008060317.tif 000008
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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