(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振キャビティと、
多結晶遷移金属ドープＩＩ−ＶＩ材料（ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ）から選択された増幅媒体と、
前記増幅媒体に結合されるポンプビームを放出するように動作可能である線形偏光ファイバーレーザーポンプ源と、を含み、前記共振キャビティが基本波長でパルスレーザービームを放出することができるカーレンズモードロックを生じるように、前記増幅媒体が入射光に対して垂直な角度でカットされ、前記共振キャビティ内に取り付けられ、前記基本波長で放出されたレーザービームのパルスがそれぞれ１．８から８μｍの波長範囲で変化し、３０から３５フェムト秒（ｆｓ）の時間範囲と等しいかそれよりも長いパルス持続時間及び１ｍＷから約２０ワット（Ｗ）の出力範囲内の平均出力を有し、
前記レーザービーム及び前記ポンプビームが、前記増幅媒体を通って伝搬する間、円形を保つ、カーモードロック（ＫＬＭ）レーザー。
【請求項２】
前記増幅媒体が、前記基本波長の範囲全体の中で、前記基本波長の半分の出力レーザービーム（ＳＨＧ）を放出することができる位相整合帯域を有するように構成された、請求項１に記載のＫＬＭレーザー。
【請求項３】
前記増幅媒体の前記位相整合帯域が、前記基本波長の２次、３次及び４次高調波波長を前記基本波長と同時に発生することができる位相整合帯域である、請求項２に記載のＫＬＭレーザー。
【請求項４】
前記増幅媒体がＴＭドープされた２元または３元ＩＩ−ＶＩ材料を含む、請求項１に記載のＫＬＭレーザー。
【請求項５】
前記ＴＭドープされた２元または３元ＩＩ−ＶＩ材料が、Ｃｒ２＋：ＺｎＳｅ、Ｃｒ２＋：ＺｎＳ、Ｃｒ２＋：ＣｄＳｅ、Ｃｒ２＋：ＣｄＳ、Ｃｒ２＋：ＺｎＴｅ、Ｃｒ２＋：ＣｄＭｎＴｅ、Ｃｒ２＋：ＣｄＺｎＴｅ、Ｃｒ２＋：ＺｎＳＳｅ、Ｆｅ２＋：ＺｎＳｅ、Ｆｅ２＋：ＺｎＳ、Ｆｅ２＋：ＣｄＳｅ、Ｆｅ２＋：ＣｄＳ、Ｆｅ２＋：ＺｎＴｅ、Ｆｅ２＋：ＣｄＭｎＴｅ、Ｆｅ２＋：ＣｄＺｎＴｅ、Ｆｅ２＋：ＺｎＳＳｅを含む、請求項４に記載のＫＬＭレーザー。
【請求項６】
前記線形偏光ファイバーレーザーポンプ源が、エルビウムまたはツリウムドープされた単一モードファイバーから選択され、前記基本波長と異なるポンプ波長で前記増幅媒体に結合された前記ポンプビームを放出するように動作可能である、請求項３に記載のＫＬＭレーザー。
【請求項７】
前記増幅媒体が、ポンプされた前記増幅媒体内部で様々な均一の軸対称な熱光学効果を発生させる結合ポンプビームに対して均一に熱を放出するように構成された、請求項６に記載のＫＬＭレーザー。
【請求項８】
前記増幅媒体の前記位相整合帯域が、前記ポンプ及び前記基本波長の和、それらの差、並びに前記基本波長と、２次、３次及び４次光学高調波波長の和で出力レーザービームを発生することができる位相整合帯域である、請求項６に記載のＫＬＭレーザー。
【請求項９】
前記増幅媒体内部の光学強度が、従来のブルースター取付け方式と比較してｎ倍増加する、請求項１に記載のＫＬＭレーザー。
【請求項１０】
前記増幅媒体が、前記共振キャビティの非点収差を実質的に補償するように構成された、請求項１に記載のＫＬＭレーザー。
【請求項１１】
前記共振キャビティが、前記ポンプビームの経路に沿って離隔され、それぞれが、前記基本波長において他の波長における反射率よりも高い反射率を有し、前記ポンプ波長において他の波長における透過率よりも高い透過率を有するように構成された、少なくとも２つの隣接した上流側の誘電体被覆された折返しミラーと下流側の誘電体被覆された折返しミラーと、を含み、前記増幅媒体が、前記折返しミラーの間に配置され、前記折返しミラーから離隔され、前記下流側の折返しミラーが、前記２次、３次及び４次高調波波長を少なくとも部分的に透過するように構成された、請求項６に記載のＫＬＭレーザー。
【請求項１２】
前記共振キャビティがさらに、前記基本波長において部分的に透過性の出力カプラーと、前記出力カプラーの上流側にあり、前記基本波長において他の波長における反射率よりも高い反射率を有するように構成された少なくとも１つの平面ダイクロイックミラーと、前記基本波長及び前記２次、３次及び４次光学高調波波長において他の波長における透過率よりも高い透過率を有する少なくとも１つの中間平板と、を含む、請求項１１に記載のＫＬＭレーザー。
【請求項１３】
前記共振キャビティがさらに、平面平行平板またはプリズムとして構成され、分散を制限するように動作可能であり、ブルースター角で取り付けられた分散補償素子を含む、請求項１１に記載のＫＬＭレーザー。
【請求項１４】
前記共振キャビティがさらに、ブルースター取付け型複屈折チューナーを含む、請求項１１に記載のＫＬＭレーザー。
【請求項１５】
前記基本波長において放出されたレーザービームの１次出力と、２次、３次及び４次高調波波長のそれぞれにおける２次出力との間でレーザービームの平均出力を制御可能に再分配するための、前記レーザービームのウェスト部に沿って前記共振キャビティ内で前記増幅媒体を変位する並進ステージをさらに含む、請求項２に記載のＫＬＭレーザー。
【請求項１６】
カーレンズモード（ＫＬＭ）ロックレーザーにおけるフェムト秒レーザー放出の非線形周波数変換のための方法であって、
複数経路共振キャビティを提供する段階と、
垂直入射角でカットされた遷移金属ドープＩＩ−ＶＩ（ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ）材料から選択された増幅媒体を前記共振キャビティ内に取り付け、ポンプ波長におけるポンプビームを生成し、前記ポンプビームを前記増幅媒体に結合し、それによって前記ポンプ波長とは異なる基本波長における一連の出力パルスを含むレーザー放出光の１次出力を放出するように共振キャビティをカーレンズモードロックする段階と、を含み、
前記パルスがそれぞれ１．８から８μｍの波長範囲内で変化し、３０から３５フェムト秒（ｆｓ）の時間範囲に等しく、またはそれより長いパルス持続時間及び１ｍＷから約２０ワット（Ｗ）の出力範囲内の平均出力を有し、
前記レーザー放出光及び前記ポンプビームが、前記増幅媒体を通って伝搬する間、円形を保つ、方法。
【請求項１７】
前記１次出力と同時に、前記波長範囲に沿った前記基本波長の２次高調波波長における前記レーザー放出光の２次出力を提供する段階をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記１次出力及び２次出力と同時に、前記基本波長の３次及び４次高調波波長における前記レーザー放出光のさらなる出力を提供する段階をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記ポンプ波長と前記基本波長との和、それらの差、並びに基本波長と２次、３次及び４次光学高調波波長の和、及びそれらの差における前記レーザー放出光のさらなる出力を発生する段階をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、中赤外線固体自己起動型カーレンズモードロックレーザーに関する。具体的には、本開示は、１．８から８μｍのスペクトル範囲に渡ってピコ秒からフェムト秒のパルスを放出するように動作可能であり、遷移金属イオンでドープされた多結晶材料のＩＩ−ＶＩ族から選択された垂直にカットされた増幅媒体を有するように構成されたカーレンズモードロックレーザーに関する。
【背景技術】
【０００２】
パルスレーザーは、光学信号処理、レーザー外科手術、バイオ医薬、光学診断、２光子顕微鏡、光学プロービング、光学反射測定、材料処理などの様々な分野における応用に使用されている。パルスレーザーには主に３つの種類、すなわちＱスイッチレーザー、増幅スイッチレーザー、及びモードロックレーザーがあり、最後のものが本開示において特に重要である。
【０００３】
モードロックレーザーは、均一な間隔の短パルス及び超短パルスを発生させることが可能な、互いに対して各位相がロックされた同時に発振する複数の縦モードを有する。固定された位相の関係は、全てのレージングモードの位相差が一定状態を保つようにレージングモードの位相を同期することが可能なモードロック機構によって確立される。次いで、これらの光学的位相ロックモードは、互いに干渉して短い光学パルスを形成する。
【０００４】
カーレンズ法（カー集束、自己集束）、またはカーレンズモードロック（ＫＬＭ）は、遷移金属イオンでドープされたＩＩ−ＶＩ族の材料及び例えばＴｉ−Ｓ）などのその他の光学材料に固有の現象に基づく超高速モードロック機構の１つである。ＫＬＭは、増幅媒体及びカー媒体を含むレーザーキャビティ内で増大するパルスが単に自己位相変調だけでなく、自己集束も行われる機構である。ＫＬＭは飽和可能吸収体ではない一方で、カー効果のような非線形光学特性は、その他どのような固有飽和可能吸収体よりもずっと早い応答時間を有する人工「飽和可能吸収体」効果をもたらす。
【０００５】
典型的には、ＫＬＭ系レーザーで使用される増幅媒体は、例外的に良好な熱−光学特性を有するチタン・サファイア（Ｔｉ：Ｓ）を含む。良く知られているように、Ｔｉ：Ｓのようなブルースター取付け増幅媒体を有する共振器の単純さ及び利点は、その取付けに伴う欠点を上回る。
【０００６】
標準的なＴｉ：Ｓ単結晶媒体とは対照的に、単結晶及び特に多結晶の形態の遷移金属（ＴＭ）ドープＩＩ−ＶＩ材料は、Ｔｉ−Ｓの範囲（０．７から１．１μｍ）に対して補完的な中赤外線の範囲（２から８μｍ）の超短レーザーパルスの発生について極めてまれな機会をもたらす。中赤外線波長範囲において動作する適切な結晶材料の非限定的な例は、セレン化亜鉛（“ＺｎＳｅ”）、硫化亜鉛（“ＺｎＳ”）、ＣｄＺｎＳｅ、ＣｄＺｎＴｅ及び１．８から８ミクロンのスペクトル範囲を選択的にカバーする帯域を示すその他多くの材料を含みうる。
【０００７】
様々な理由により、これらの材料は熱光学特性が悪く、ブルースター構成に配置した場合に熱光学効果について非常に強い不均一性を有することを特徴とする。結果として、ブルースター取付け型ＴＭ：ＩＩ−ＶＩレーザーの出力は、数ワットを超えない。さらに、そのようなレーザーの効率は、比較的ポンプ吸収率の低い、比較的薄い増幅素子の使用の必要性のために制限される。
【０００８】
図１は、多結晶Ｃｒ２＋：ＺｎＳｅ／ＺｎＳ  ＫＬＭレーザーの可能な方式の１つの作動例を示している。低ノイズ１５５０ｎｍ狭帯域半導体レーザーによってシードされた線形偏光Ｅｒドープファイバー増幅器（ＥＤＦＡ）の出力は、２つの曲面高反射（ＨＲ）ミラー、平面ＨＲミラー及び平面出力カプラー（ＯＣ、Ｒ＝９９％）からなる標準非点収差補償された非対称Ｚ型折返し共振器に結合される。非点収差とは、矢状面（キャビティの主平面に対して垂直な平面）及び接平面（すなわち、主平面に平行）に対してビームの焦点が同じ位置にないことを意味する。また、キャビティの安定領域は異なる平面に対して異なり、出力は楕円状である。これらの現象は、補償を必要とする。
【０００９】
図１のデバイスにおいて、レーザーキャビティの長さは約９４ｃｍである。ＫＬＭ方式は、２つの種類のレーザー（増幅）媒体、すなわち多結晶Ｃｒ２＋：ＺｎＳ（厚さ２．０ｍｍ、１５５０ｎｍにおいて４３％の低信号透過）及び多結晶Ｃｒ２＋：ＺｎＳｅ（厚さ２．４ｍｍ、１５％透過）を用いて得られる。増幅素子は面に平行に研磨され、被覆されておらず、銅ヒートシンク上に強制冷却なくブルースター取付けされる。光学キャビティがパルスを維持するために、パルスの時間的形状及び持続時間は、キャビティを通って循環する間安定した状態を保たなければならない。結果として、屈折率の波長依存性のためにそれらを通過する際にパルスが変形し、補償が必要になる。図示された構成において使用されるキャビティミラーは非分散的である一方で、増幅媒体及びその他の任意選択的な構成要素もそうである。分散補償は、ブルースター取付けされた溶融石英板（厚さ２ｍｍ）及びＹＡＧ平板（厚さ４ｍｍ）の組み合わせを用いて実装される。中心レーザー波長に近い２４００ｎｍにおける共振器の群遅延分散は約１０００ｆｓ２である。
【００１０】
レーザーは、最大ＣＷ出力に対して最適化され、このとき曲面ミラーの間の距離はＫＬＭ方式を得ることができるように精密に調整される。モードロックレーザー発振は、ＯＣ遷移によって初期化される。
【００１１】
多時間に渡って遮断されない単一パルス振動が、１Ｗポンプ出力及び６０ｍＷレーザー出力においてＣｒ２＋：ＺｎＳｅ内で観察される。さらに、ポンプ出力を増大させると、複数パルス及びモードロックの頻繁な遮断につながる。Ｃｒ２＋：ＺｎＳ  ＫＬＭレーザーの最大安定性は、１．２５Ｗのポンピング及び３０ｍＷの出力のときに得られる（１から２時間の遮断されない単一パルス発振）。
【００１２】
図２は、ＫＬＭ方式においてＣｒ２＋：ＺｎＳ及びＣｒ２＋：ＺｎＳｅレーザーについて得られた放出光スペクトル及び自己相関の軌跡を比較している。測定は、１６０ＭＨｚのパルス反復率で単一パルス発振について実行された。Ｃｒ２＋：ＺｎＳレーザーの出力は、ｓｅｃｈ２変換限定される。１２５ｆｓのパルス持続時間が、ｓｅｃｈ２プロファイルを仮定して自己相関の軌跡から得られ、１２６ｆｓのパルス持続時間が、時間と帯域の積をΔτΔν＝０．３１５と仮定して放出光スペクトルから計算された。他方、Ｃｒ２＋：ＺｎＳｅレーザーの自己相関の軌跡の形状は、チャープパルスを明らかにする。レーザーの放出光スペクトルはひずんでおり、従って、時間と帯域の積は増大する。大まかに、Ｃｒ２＋：ＺｎＳｅレーザーのパルス持続時間は、１００から１３０ｆｓの範囲内にあると推定される。
【００１３】
図３は、既知のＫＬＭレーザーのやや単純化されたキャビティ設計を示す。具体的には、シードレーザー１０によってポンプされた光学ポンプ源１は、レンズまたはミラーを含みうるポンプビーム集束及び成形光学系のシステム２を通過して伝搬する間に集束され、成形されたポンプビーム（緑で示される）を放出する。次いで、集束され、成形されたビームは、レーザー波長において高い反射率を有し、ポンプ波長において高い透過率を有する折返し凹面誘電体被覆ミラー３を通って光学キャビティ内に結合される。さらに増幅媒体４を通って伝搬した後、所望の波長のレーザービーム（赤で示される）は、レーザー波長において高い反射率を有し、任意選択的にポンプ波長において高い透過率を有する折返し凹面誘電体被覆ミラー５に入射する。ミラー５から反射されると、レーザービームは、誘電体または金属で被覆された、レーザー波長において高い反射率を有する平面ミラー６に入射する。任意選択的に、ブルースター角でレーザー共振器に取り付けられた平面平行平板などの分散補償要素７は、ミラー５と６の間のキャビティアーム内に配置される。ミラー６から逆反射した後、レーザービームはミラー５に入射し、増幅媒体４を通って伝搬し、ミラー３に入射する。最後に、レーザービームは、キャビティから出力カプラー（“ＯＣ”）８を通って出力ビーム９として分離する。レーザービームの経路は、赤で示され、ポンプビームは緑で示される。
【００１４】
図１及び３に示されるように、増幅媒体のブルースター取付けは、いくつかの利点のためにＫＬＭレーザーにおいて圧倒的に使用される。第１に、入射光のブルースター角において、特定のｐ−偏光を有する光は、反射のない表面を通って完全に透過し、そのため特殊で高価な反射防止被覆が不要になる。第２に、増幅媒体は偏光子として機能し、そのため追加の偏光子を使用する必要がなくなる。第３に、増幅素子のブルースター取付け及び共振器パラメータの特殊な選択により、共振器内を伝搬するレーザービーム及び出力レーザービームの非点収差の補償が可能となる（非点収差は、曲面ミラーの表面に非垂直に入射する光によって生じる）。共振器の非点収差は、レーザーの性能（例えば、出力レーザービームの品質）を低下させうる。カーレンズモードロックなどのいくつかの微妙な状況では、非点収差は適切なレーザーの動作を妨げさえしうる。
【００１５】
しかし、増幅媒体のブルースター取付けには欠点がないということではない。図３Ａに示されるように、ブルースター取付け方式は、増幅素子内にレーザー及びポンプビームの強い不均一性を含む。光学ビームは１つの方向に引き伸ばされており、垂直方向には元の大きさを維持する。ブルースター取付けされた光学材料内のビーム拡張因子は、材料の屈折率ｎに等しい。そのため、ブルースター取付けは、（ｉ）増幅素子内の光学強度をｎ分の１に減少させ、（ｉｉ）ポンプ及びレーザービームの非対称性において、ポンプチャンネル内の不均一な熱放出につながり、そのため材料内の様々な熱光学効果の不均一性につながる。
【００１６】
ブルースター取付けの欠点は、単結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ材料における出力を約１Ｗに制限する。３０から６０ｍＷの出力を有するＫＬＭレーザーの動作は、近年多結晶材料で示されているが、明らかに、多くの産業的及び科学的用途に必要な需要に合致するために増大させる必要がある。しかし、共振器の従来の方式でＫＬＭ  ＴＭ：ＩＩ−ＶＩレーザーの出力をさらに増大させることは、困難な問題を呈する。さらに、前述の欠点は、パルス持続時間の短縮を妨げる。またさらに、多くの用途は、現在報告されている記録で所望の周波数範囲において約４０フェムト秒の短パルスで現在利用可能なものよりもさらに短いパルスを必要とする。
【００１７】
原理的に、ブルースター取付け増幅媒体の光学密度は、ポンプ出力及びそのため出力を制限する。増幅媒体の厚さが増大すると、より高いポンプ出力の使用が可能になり、そのため必然的に補償されるべき非点収差の程度も大きくなる。または、前述のようにＫＬＭ系レーザーは、非点収差現象に非常に敏感であり、ありうる最悪なシナリオでは、適切な動作が停止されうる。しかし、そのような補償は容易でも特に効果的でもない。
【００１８】
従って、ＫＬＭ方式におけるレーザー出力、効率及びパルス持続時間を顕著に改善するために、遷移金属（ＴＭ）ドープＩＩ−ＶＩ材料から選択され、共振器キャビティ内に垂直に取り付けられた多結晶非線形材料を含む光学キャビティを有する、高出力中赤外線固体自己起動型カーレンズモードロックレーザーの必要性が存在する。
【００１９】
さらに、最大で数１０ワットの高出力超短パルスを出力するために、高ポンプ出力で動作することが可能な構成を有する前述の中赤外線ＫＬＭレーザーの必要性が存在する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００２０】
前述の必要性は、ＴＭドープＩＩ−ＶＩ材料などの、ポンプビームに対して垂直に入射するように光学キャビティ内に取り付けられた増幅媒体を有して構成された、開示されたカーレンズモードロックレーザーによって満たされる。垂直入射取付けは、以下の重要な特徴及び利点を有する。
【００２１】
レーザー及びポンプビームは増幅媒体を円形を保ったまま通過する。
【００２２】
ポンプチャネル内の熱解放及びすなわち材料内の様々な熱光学効果が均一かつ軸対称となる。
【００２３】
増幅素子内の光学強度はｎ倍に増加する（従来のブルースター取付け方式と比較して）。
【００２４】
増幅素子内の様々な非線形光学効果が、より高い光学強度のために増加する。
【００２５】
より明確な非線形効果は、カー効果が非線形的性質を持つため、ＫＬＭレーザー方式において重要である。
【００２６】
ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ媒体におけるより明確な非線形カー効果により、共振器の非点収差の補償(少なくとも部分的に)が可能になりうる。従って、垂直入射においてＴＭ：ＩＩ−ＶＩ増幅素子を使用することにより、ＫＬＭレーザーの共振器における非点収差の補償の必要性を(ある程度)緩和することができる。
【００２７】
垂直入射取付けは、大きな長さ、すなわち高いポンプ吸収率を有する増幅材料の使用を、大きく単純化する。
【００２８】
高いポンプ吸収率及び高い光学強度は、より効率的なレーザー相互作用をもたらし、すなわち（所定の増幅ポンプ出力に対して）レーザー出力の増加を可能にする出力カプラーパラメータの選択に対する柔軟性が可能になる。
【００２９】
材料内の均一な熱光学効果により、（従来のブルースター取付け方式と比較して）ポンプ出力の増加が可能になり、すなわち、レーザー出力のさらなる増大が可能となる。
【００３０】
これらの全てはこれらの材料の熱光学特性が比較的低いこと及びＫＬＭ方式で動作するＴＭ：ＩＩ−ＶＩ系レーザーのために、ＴＭ：ＩＩ−ＶＩレーザー媒体に対して特に重要である。
【００３１】
本発明の概念は２つの実施形態において実現される。各実施形態は、以下に簡単に開示されるようにいくつかの態様を含む。
【００３２】
第１の実施形態の第１の態様によれば、本発明のカーモードロック（ＫＬＭ）レーザーは、共振キャビティと、多結晶遷移金属ドープＩＩ−ＶＩ材料（ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ）から選択された増幅媒体と、を含む。前記共振キャビティが基本波長でパルスレーザービームを放出するのに十分なカーレンズモードロックを生じるように、前記増幅媒体が入射光に対して垂直な角度とされ、前記共振キャビティ内に取り付けられる。前記基本波長で放出されたレーザービームのパルスはそれぞれ１．８から８μｍの波長範囲で変化し、３０から３５フェムト秒（ｆｓ）の範囲と等しいかそれよりも長いパルス持続時間及び１ｍＷから約２０ワット（Ｗ）の出力範囲内の平均出力を有する。
【００３３】
第２の態様によれば、第１の態様のＫＬＭレーザーは、前記基本波長の範囲全体の中で、前記基本波長の半分の出力レーザービーム（ＳＨＧ）を放出するのに十分広い位相整合帯域を有する増幅媒体を有して構成される。
【００３４】
第３の態様によれば、第１及び／または第２の態様の本発明のＫＬＭレーザーは、ポンプビームが増幅媒体を通って伝搬する際に、前記基本波長の２次、３次及び４次高調波波長を前記基本波長と同時に発生するのに十分な広さである位相整合帯域を有して構成された増幅媒体を有する。
【００３５】
第４の態様、第１、第２及び第３の態様もしくはこれらの組み合わせまたはこれら個別のそれぞれによれば、本発明のＫＬＭレーザーはさらに平面状の共振キャビティを含む。
【００３６】
本開示の第５の態様、第１、第２、第３及び第４の態様もしくはこれらの組み合わせまたはこれら個別のそれぞれによれば、増幅媒体はＴＭドープされた２元または３元ＩＩ−ＶＩ材料を含む。
【００３７】
本開示の第６の態様、上記５つの態様のそれぞれまたはこれらの態様の任意の組み合わせの本発明のＫＬＭレーザーによれば、増幅媒体は、Ｃｒ２＋：ＺｎＳｅ、Ｃｒ２＋：ＺｎＳ、Ｃｒ２＋：ＣｄＳｅ、Ｃｒ２＋：ＣｄＳ、Ｃｒ２＋：ＺｎＴｅ、Ｃｒ２＋：ＣｄＭｎＴｅ、Ｃｒ２＋：ＣｄＺｎＴｅ、Ｃｒ２＋：ＺｎＳＳｅ、Ｆｅ２＋：ＺｎＳｅ、Ｆｅ２＋：ＺｎＳ、Ｆｅ２＋：ＣｄＳｅ、Ｆｅ２＋：ＣｄＳ、Ｆｅ２＋：ＺｎＴｅ、Ｆｅ２＋：ＣｄＭｎＴｅ、Ｆｅ２＋：ＣｄＺｎＴｅ、Ｆｅ２＋：ＺｎＳＳｅ、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される。
【００３８】
本開示の第７の態様によれば、前述の態様のそれぞれまたはこれらの任意の組み合わせのＫＬＭは線形偏光ファイバーレーザーポンプ源を含む。これは、エルビウムまたはツリウムドープされた単一モードファイバーから選択され、基本波長と異なるポンプ波長で増幅媒体に結合されたポンプビームを放出するように動作可能である。レーザービーム及びポンプビームが、増幅媒体を通って伝搬する間、円形を保つ。
【００３９】
第８の態様において、第１から第７のそれぞれまたはこれらの態様の任意の組み合わせの開示されたレーザーであるＫＬＭレーザーは、結合ポンプビームに対して均一に熱を放出するように構成された増幅媒体を含む。これは、ポンプされた増幅媒体内部で均一な、軸対称な熱光学効果を発生させる。
【００４０】
本開示の第９の態様において、前述の８つの態様のそれぞれまたはこれらの態様の任意の組み合わせの本発明のＫＬＭは、ある帯域を有する増幅媒体を含む。帯域は、ポンプ及び基本波長の和及び／もしくはそれらの差、並びに／または基本波長と、基本周波数の２次、３次及び／もしくは４次光学高調波波長の和で出力レーザービームを発生するのに十分広い。
【００４１】
本開示の第１０の態様において、第１から第９の態様のそれぞれ及びこれらの態様の任意の組み合わせにおいて開示されるように、本発明のＫＬＭは、従来のブルースター取付け方式と比較してｎ倍増加する内部光学強度を有する増幅媒体を有して構成される。
【００４２】
本開示の第１１の態様において、第１から第１０の態様のそれぞれまたはこれらの任意の組み合わせにおいて開示されるように、本発明のＫＬＭでは、増幅媒体は、共振キャビティの非点収差を実質的に補償するように構成される。
【００４３】
第１２の態様において、任意の態様において開示されたＫＬＭは、ポンプビームの経路に沿って互いに離隔され、増幅媒体の側面に位置する少なくとも２つの隣接した上流側の誘電体被覆された折返しミラーと下流側の誘電体被覆された折返しミラーと、によって画定された共振キャビティを有するように構成される。各ミラーは、基本波長において高い反射率を有し、ポンプ波長において高い透過率を有するように構成され、下流側の折返しミラーは、高調波を少なくとも部分的に透過するように構成される。
【００４４】
本開示の第１３の態様によれば、前述の態様のそれぞれまたはこれらの態様の任意の組み合わせにおいて開示されたように、ＫＬＭレーザーは、前記基本波長において部分的に透過性の出力カプラーと、前記出力カプラーの上流側にある少なくとも１つの平面ダイクロイックミラーを含む共振キャビティを有する。キャビティはさらに、基本波長及び高調波波長において高い透過率を有する少なくとも１つの中間平板を有する。
【００４５】
本開示の第１４の態様において、前述の態様のそれぞれまたはこれらの任意の組み合わせのＫＬＭは、平面平行平板またはプリズムとして構成され、分散を制限するように動作可能である分散補償素子を含む共振キャビティを有して形成される。補償素子はブルースター角で取り付けられる。
【００４６】
本開示の第１５の態様において、前述の態様のそれぞれまたはこれらの任意の組み合わせのＫＬＭは、ブルースター取付け型複屈折チューナーを含む共振キャビティを有して形成される。
【００４７】
本開示の第１６の態様において、前述の態様のそれぞれまたはこれらの任意の組み合わせのＫＬＭは、増幅媒体をレーザービームのウェスト部に沿って共振キャビティ内で変位する並進ステージをさらに含む。増幅媒体の変位は、基本波長において放出されたレーザービームの１次出力と、２次、３次及び４次高調波のそれぞれにおける２次出力との間でレーザービームの平均出力を再分配するように制御される。
【００４８】
本開示の第２の実施形態によれば、その第１の態様は、第１の実施形態の前述の全ての態様のうち任意のもの又は任意の組み合わせにおいて開示されたような、カーレンズモード（ＫＬＭ）ロックレーザーにおけるフェムト秒レーザー放出の非線形周波数変換の方法を開示する。本方法は、複数経路共振キャビティを提供し、遷移金属ドープＩＩ−ＶＩ（ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ）材料から選択された増幅媒体を取り付ける段階を含む。後者は、共振キャビティ内において垂直入射角でカットされる。カーレンズモードは、基本波長における一連の出力パルスを含むレーザー放出光の１次出力を放出するように共振キャビティをロックする。パルスはそれぞれ１．８から８μｍの波長範囲内で変化し、３０から３５フェムト秒（ｆｓ）の時間範囲に等しく、またはそれより長いパルス持続時間及び１ｍＷから約２０ワット（Ｗ）の出力範囲内の平均出力を有する。
【００４９】
本方法の第２の態様において、共振キャビティはさらに、１次出力と同時に２次出力を有して提供される。２次出力は基本波長の半分の波長である。
【００５０】
第２の実施形態の第３の態様において、第１及び／または第２の態様の方法は、１次出力及び２次出力と同時に、基本波長の３次及び４次高調波におけるレーザービームのさらなる出力を提供する。
【００５１】
第２の実施形態の第４の態様において、前述の態様の任意の方法またはそれらの任意の組み合わせの方法は、基本波長とは異なるポンプ波長におけるポンプビームを生成し、ポンプビームを増幅媒体に結合する段階を含む。
【００５２】
第２の実施形態の第５の態様によれば、前述の態様のそれぞれまたは任意の組み合わせの方法は、ポンプ波長と基本波長との和、それらの差、並びに基本波長と２次、３次及び４次光学高調波波長の和、並びにそれらの差におけるレーザービームのさらなる出力を提供する。
【００５３】
本開示の前述の及びその他の態様、特徴及び利点は、以下の図面からより容易に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】既知の先行技術のＫＬＭレーザーの１つの例示的な概略である。
【図２】図１のＫＬＭレーザーについての放出光スペクトル及び自己相関の軌跡である。
【図３】既知の技術のＫＬＭレーザーの他の例示的な概略であり、図３Ａはブルースター取付け増幅媒体内のビーム伝搬を示す図３の拡大図である。
【図４】本発明のＫＬＭ共振器の１つの設計の光学的概略であり、図４Ａは図２の拡大された増幅媒体であり、図４Ｂは図４の開示されたＫＬＭレーザーの１つの可能な概略である。
【図５】開示されたＫＬＭレーザーの測定されたレーザー放出光スペクトルの変換限定レーザー放出光スペクトルの理論曲線に対するフィッティングであり、図５Ａは自己相関の軌跡であり、図５Ｂは開示されたＫＬＭレーザーによって放出された出力レーザービームの画像である。
【図６】最適化された本発明のＫＬＭレーザーの光学的な概略である。
【図７】それぞれ異なる反射率を有するレーザーの出力カプラーを有して構成された、図６の開示されたＫＬＭレーザーの測定された放出光スペクトルを示す。
【図８】図７の各放出光スペクトルに対応する図６のＫＬＭレーザーの自己相関の軌跡を示す。
【図９】開示されたＫＬＭレーザーの多結晶遷移金属（ＴＭ）ＴＭ：ＩＩ−ＩＶ増幅媒体の拡大図である。
【図１０】本発明のＫＬＭレーザーのさらに他の光学的概略である。
【図１１】図１１Ａはそれぞれ基本、２次、３次及び４次高調波波長におけるレーザーの出力ビームの４つの画像であり、図１１Ｂはパイロカメラによって取得された基本波長及び２次高調波における本発明のＫＬＭレーザーの出力の空間的プロファイルであり、図１１Ｃは２次高調波波長において取得された一連のＫＬＭレーザーパルスの波形である。
【図１２】レーザーパラメータを制御するための手段を有して提供された本発明のＫＬＭレーザーのさらなる光学的な概略であり、図１２Ａは図１２の増幅媒体の拡大図である。
【図１３】図１３、１３Ａ及び１３Ｂは、本発明のＫＬＭレーザーによる６８ｆｓ及び８４ｆｓのパルスの制御可能な発生を示す。
【図１４】本発明のＫＬＭレーザーによる４６ｆｓのパルスの制御可能な発生を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
これから、本発明の実施形態を詳細に参照する。可能な限り、先行技術及び本発明の構成に共通な同一または類似の部品または段階を参照するために、同一または類似の符号が図面及び明細書において使用される。図面は簡略化された形態であり、正確な縮尺で表されていない。特に注記したのでなければ、明細書及び特許請求の範囲の用語及び語句は、ダイオード及びレーザーの技術分野の文献で当業者にとって通常であり慣習的である意味を有するものと意図される。「結合する」との用語及び類似の用語は、必ずしも直接、接触して接続することを意味するのではなく、自由空間または中間介在要素を介した機械的及び光学的な接続も含む。
【００５６】
図４は、図示された共振器内をビームが伝搬する平面に垂直に入射するように取り付けられた増幅媒体４’を有する開示されたＫＬＭレーザー５０の例示的な構成を示している。残りの構成要素は、図３のものと類似であり、光源１０によってシードされ、ポンプビーム（緑で示される）を放出する光学ポンプ源１を含む。ポンプ源１は、標準的な線形的に偏光した単一横モード（「ＳＭ」）Ｅｒドープファイバーレーザー（ＥＤＦＬ）として構成されうる。または、光源１０は、ツリウム（「Ｔｍ」）ドープＳＭファイバーレーザーに基づくものであってよい。
【００５７】
増幅媒体４’を垂直入射するように取り付けることは、より高いレーザー出力及び効率を達成するために重要である。具体的には、多結晶反射防止被覆がされた増幅素子４’が折返し凹面誘電体被覆ミラー３と５の間に結合される。増幅素子４’が平面平行であるように示されている一方で、楔状とすることも可能である。ミラー３はレーザー波長において高い反射率を有し、ポンプ波長において高い透過率を有し、その一方ミラー５はレーザー波長において高い反射率を有し、ポンプ波長において光学的に高い透過率を有するように構成される。共振器は、様々な構成を有しうる。例えば、図４Ｂは図示されるように２つより多い折返しミラーを有する共振器を示している。共振器の構成に関わらず、レーザービームは最終的に出力カプラー（「ＯＣ」）８に入射し、レーザー波長において出力ビーム９として共振器の外部に結合される。
【００５８】
分散補償は、特別に最適化された「分散性」ミラーを用いて実装することが可能であることに言及すべきである。高い反射率のミラーは、出力カプラー８に結合するための代替案でありうる。共振器は、レーザー波長の調整のための追加的な構成要素を含みうる。
【００５９】
図１及び３のＫＬＭレーザーの従来の共振器とは異なり、本発明の平面共振器は、非点収差を有する。しかし、ＴＭ：ＩＩ−ＶＩレーザー材料の具体的な状況においては、図４Ｂに示されるように、増幅素子内部のポンプビーム及びレーザービームの高い均一性のために、増幅素子が共振器キャビティの非点収差を実質的に補償することができる。後述する原理的な実験により、このことが確かめられる。さらに、開示された平面共振器の非点収差は、折返し凹面ミラーの曲率半径および折返し角度を慎重に選択することによって低いままに保つことも可能である。必要であれば、レーザー技術における当業者によく知られたブルースター光学素子を用いない折返し共振器における非点収差の補償のための複数の技術が存在するが、それらの全ては単純に任意選択的であり、周知の先行技術のデバイスにおけるもののように必要なものではない。
【００６０】
従って、ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ媒体における顕著な非線形カー効果によって、共振器の非点収差の顕著な補償が可能となりうる。そのため、垂直入射においてＴＭ：ＩＩ−ＶＩ増幅素子を使用することにより、何らかの緩和の必要性が、ＫＬＭレーザー５０の共振器の非点収差補償に対して可能となる。
【００６１】
増幅素子の垂直入射取付けの主な利点は、（ｉ）ポンプビーム及びレーザービームの循環性による増幅素子内の熱光学効果のより良好な管理、（ｉｉ）（標準的なブルースター取付けと比較する場合に）増幅素子内部のポンプ及びレーザーの強度の顕著な増加、（ｉｉｉ）大きな長さ及び体積、すなわち高いポンプ吸収率を有する増幅素子の使用のさらなる簡便化である。垂直入射取付けはまた、カーレンズモードロックにもより好適となる可能性がある。
【００６２】
図５から５Ｂは、標準的な量産されたＡＲ被覆多結晶Ｃｒ：ＺｎＳ増幅素子４を有して構成された図４のＫＬＭレーザー平面発振器５０の結果を示している。レーザーのＫＬＭ方式は容易に得られたものである。レーザーのＫＬＭ方式は、本明細書で後述するように、図５のレーザー放出光スペクトル及び図５Ａの非線形自己相関関数の測定によって確認された。８４ｆｓのパルス持続時間を有するフーリエ変換限界パルスは、これも本明細書で後述するように、実験データの数学的分析によって確認された。変換限定パルスは、
【００６３】
【数１】
0006640733.tif 000002
【００６４】
で決定された理論的に可能な最も短いパルスであり、ｔはパルス持続時間であり、
【００６５】
【数２】
0006640733.tif 000003
【００６６】
はスペクトル幅である。上記から分かるように、特定の持続時間を有するパルス化された最も短い可能な光を発生することができるように、幅広いスペクトル帯域が必要とされる。これから分かるように、試験されたＫＬＭ  ＴＭ：ＩＩ−ＶＩレーザー５０は、図５Ｂに示されるように、９３ＭＨｚの反復率、１４ｎＪのパルスエネルギー、特定の変換限定パルス及び良好なビーム品質で、約１．３Ｗの出力を有する基本／レーザー波長における出力ビーム９で動作可能であった。得られた出力は他に類を見ないほど高いものであると考えられる。
【００６７】
図６は、Ｃｒ２＋：ＺｎＳ増幅素子４に基づき、最適化された共振器を有する本発明のＫＬＭレーザー５０を示している。ＨＲは分散性高反射体（ＧＤＤ〜−２００ｆｓ２）、ＹＡＧは厚さ２ｍｍのブルースター取付け型分散補償板、ＯＣは出力カプラー（｜ＧＤＤ｜＜１５０ｆｓ２）、ＭｇＦ２は任意選択的に厚さ０．５ｍｍのブルースター取付け複屈折チューナー（リヨフィルター）、Ｌはポンプ集束レンズ、ＳＨＧは２次高調波波長におけるレーザーの２次出力である。レーザーはＥｒドープファイバーレーザー（ＥＤＦＬ）の線形偏光放射によって１５６７ｎｍでポンプされる。
【００６８】
ポンプ源１は、標準的な線形偏光Ｅｒドープファイバーレーザー（ＥＤＦＬ）を含む。レーザー出力を増加させるために、１５６７ｎｍのポンプ波長で１１％の低信号透過率を有する長さ５ｍｍの多結晶Ｃｒ２＋：ＺｎＳ増幅素子４’が、垂直入射で水冷銅ヒートシンク上にＡＲ被覆折返しミラー３と５との間に挿入される。キャビティ脚部の長さは３から５の比を有する、等しくないものであった。レーザー放出光の最大値（２３００ｎｍから２４００ｎｍ）における共振器の全分散は約１４００から１６００ｆｓ２であった。ＫＬＭレーザーの波長調整における実験について、ＭｇＦ２からなる厚さ０．５ｍｍのブルースター取付け複屈折チューナー１１（単一平板リヨフィルター）が使用された。さらに、厚さ２ｍｍのブルースター取付けＹＡＧ平板１２が、ミラー６と１３との間に画定された脚部内におけるチューナー１１の隣に配置された。平面共振器はさらに、平面ミラー１５と１４との間であって、ＯＣ８のすぐ上流側に画定された追加的な脚部を含む。ＯＣの分散は２２００から２４００ｎｍの範囲で±１５０ｆｓ２の範囲内である。ＳＨＧにおける出力１６は青色で示され、ポンプビームは緑色で示され、レーザービームは赤色で示されている。
【００６９】
最適化された平面共振器を有するレーザーのＫＬＭ方式は、９６、９０、７０及び５０％の反射率を有する出力カプラーを用いて得られた。ほとんどの測定は、９４．５ＭＨｚのパルス反復率で行われた。しかし、ＫＬＭレーザー発振は、ある範囲のパルス反復率（８０から１２０ＭＨｚ）で得られた。レーザー特性決定の結果は、以下の表にまとめられている。
【００７０】
【表１】
0006640733.tif 000004
【００７１】
ＲＯＣは出力カプラーの反射率であり、ＰｏｕｔはＫＬＭ方式における平均レーザー出力であり、τはレーザーパルス持続時間（ＦＷＨＭ）であり、Δλはレーザー放出光スペクトルの幅（ＦＷＨＭ）であり、λＣはレーザー放出光のピークであり、Ｐｐｕｍｐは最適なポンプ出力である。
【００７２】
異なる反射率を有するＯＣについて得られた図６のＫＬＭレーザー５０の放出光スペクトル及び自己相関の軌跡は、それぞれ図７及び８に示されている。スペクトル及び自己相関関数の形状は、全４種類のＯＣについてｓｅｃｈ２パルスに対応する。これにより、パルス持続時間の推定に関して０．３１５の時間帯域積の使用が可能となる。ＲＯＣ＝９０％（２５２５ｎｍ）で測定されたスペクトルの小さなピークはレーザー放出光内のケリーサイドバンドの存在を示している。反対のサイドバンドは、２２００ｎｍより短い波長における高反射体を通る漏洩のために抑制されている。２次高調波発生（ＳＨＧ）が多結晶Ｃｒ２＋：ＺｎＳにおいて直接得られた場合におけるＲＯＣ＝９０及び７０％で測定された頂部が平らなスペクトルは、以下に説明される。
【００７３】
垂直に取り付けられた多結晶ＩＩ−ＶＩ材料及び特に多結晶Ｃｒ２＋：ＺｎＳレーザーに基づくＫＬＭレーザー５０の上記で開示された構成をまとめると、安定な短パルスｆｓレーザー発振は、約２Ｗのｆｓレーザーの出力及び４６ｆｓの最短パルス持続時間を有する８０から１２０ＭＨｚのパルス反復率の範囲で通常得られる。前述のデータの全ては、ＩＩ−ＶＩ増幅媒体についてこれまで知られていないものであると考えられる。さらに、いくつかの場合において、ＫＬＭレーザー５０は、最大２０Ｗの出力および３０から３５ピコ秒程度の短さのパルス持続時間を有する、さらに特有のデータを生じるように動作可能であった。
【００７４】
フェムト秒レーザーの実際の用途は、非線形周波数変換（例えば、光学調和生成、和差周波数生成、及び光学パラメータ生成）を必要とすることが多い。例えば、多光子画像化において重要な１．１から１．５μｍのスペクトル幅は、光学パラメータ生成器と組み合わせたＴｉ：Ｓ  ｆｓレーザーを用いて対処可能である。同じスペクトル範囲は、２．２から３．０μｍスペクトル範囲で動作するＴＭ：ＩＩ−ＶＩ中赤外線ｆｓレーザーのＳＨＧを用いて対処可能である。
【００７５】
非線形材料におけるＳＨＧの効率は、分散（基本レーザー波長と基本波長の半分（「ＳＨ」）とにおける光伝搬速度の差）によって制限される。従って、基本波長からＳＨ波長へのエネルギー伝達は、非線形材料の限界長さ、いわゆるコヒーレンス長（「ＣＬ」）において発生する。ほとんどの材料では、ＣＬは数十μｍのオーダーであり、弱いＳＨ発生効率となる。この制限を解消するための複数の技術が過去数十年の間に開発されている。従来の方法は、いくつかの非線形結晶の複屈折に基づく。より最近開発された技術は、非線形材料の微視的構造の加工に基づく（準位相整合またはＱＰＭ）。標準的なＱＰＭ結晶は規則的なパターンを含み、望ましいレーザー波長で最も効率的な非線形周波数変換に最適化され、例えば、非線形周波数変換の制限された帯域を有する。より高度なパターニングは、変換効率全体の減少によって達成される、帯域の増加を可能にする。
【００７６】
本明細書で用いられる多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ材料は、微視的単結晶粒からなる。実験で用いられる多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩサンプルは、中赤外線波長範囲におけるＳＨＧプロセスのコヒーレンス長程度の結晶粒の大きさを有する（３０から６０μｍ、波長及び材料の種類に依存する）。そのため、多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ材料は、標準ＱＰＭ材料のようにパターニング可能である。標準ＱＰＭ材料とは異なり、パターニングは完全ではないがランダム化される（結晶粒の大きさ及び結晶軸の方向に相違点が存在する）。パターニングのこのランダム性は、（標準ＱＰＭ材料と比べた場合に）非線形増幅が低くなる結果をもたらす。しかし、ランダム性により、非常に広いスペクトル範囲におけるＳＨＧが可能になる。さらに、多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ材料は、非線形周波数変換の帯域が非常に大きい。非線形周波数変換の効率は、光学的強度に強く依存する（例えば、ＳＨＧ効率は光学的強度の２乗に比例する）。そのため、多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ材料の比較的低い非線形増幅は、非常に高い強度のｆｓレーザーパルスによって補償可能である。多結晶ＩＩ−ＶＩ材料の前述の特性は、ｆｓレーザー放出光の非線形周波数変換に関して重要である。
【００７７】
特に図９及び１０を参照すると、ＫＬＭレーザー５０は多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ増幅媒体４’を有して構成される。図１０に開示された構成は、それぞれ図９において黄色（ＳＨＧ）、緑（ＴＨＧ）及び青（ＦＨＧ）で示されたそれぞれ２次、３次及び４次高調波生成波長におけるビームを、共に黒で示された和及び差の周波数波長（ＳＦＧ及びＤＦＧ）におけるビームとともに同時に出力するように動作可能である。
【００７８】
基本波長におけるレーザー出力は、部分的に透過ＯＣ８を介して実装される。それぞれ２次、３次及び４次高調波におけるレーザー出力は、ミラー１８の反射後にミラー２０を介して共振器を離れる。共振器のミラーの全てが、高い高調波の出力を発生するように特に設計される必要はないことに注目することは重要である。試験されたデバイスにおいて、ＳＨＧ波長範囲におけるミラー透過は約５０％であり、波長の関数として発振する。図１１Ａは、ミラー２０の背後に配置された後に、ＩＲに感度を有するカードによって得られたそれぞれ基本（Ａ）、２次（Ｂ）、３次（Ｃ）及び４次（Ｄ）高調波波長（それぞれ２３００、１１５０、７７０、５７５ｎｍ）における２ＷのＫＬＭレーザー５０の出力の典型的な画像のスナップショットを示す。図１１Ｂは、ＯＣ８の背後に配置されたパイロカメラによって測定された基本周波数及び２次高調波における出力ビームの２つの画像を示す。図１１Ｃは、ＳＨＧ波長において取得される一連のＫＬＭレーザーパルスの波形に関するグラフを示す。そのため、中赤外線フェムト秒レーザー放出光のかなりの部分（最大５０％）は、２次高調波に変換され、ＳＨ出力の量はＯＣ反射率の制御によって調整可能である。
【００７９】
ＳＨＧ波長における図１０のｆｓレーザー５０の出力はミラー２０の後では３０ｍＷであった。これにより、共振器内部で２４０ｍＷのＳＨＧ出力を得ることが可能である（ミラー１８、２０の透過率が５０％であること及びＳＨＧが２つの反対の方向で生じることを考慮に入れなければならない）。得られた結果は、多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ材料の以下の特徴を明らかにする。多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ材料は中赤外線ｆｓパルスのむしろ効率的な非線形周波数変換器である（例えば、基本波長及びＳＨＧ波長におけるほぼ同じ光学的出力が原理証明実験において得られた）。多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ材料の位相整合帯域は、ｆｓレーザー放出光スペクトル全体のＳＨＧを可能にする程度に十分広い。多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ材料の位相整合帯域は、同時にＳＨＧ、ＴＨＧ及びＦＨＧを可能にする程度に十分広い。開示された平面共振器の内部の多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ材料は、非線形周波数変換器と同様にｆｓレーザー増幅媒体としても機能することができる。そのため、レーザー５０は、微視的単結晶粒の大きさがＳＨＧ、ＴＨＧ及びＦＨＧプロセスのコヒーレンス長程度である場合には、増幅媒体４’の多結晶構造のために、４つの異なる波長で複数のｆｓ出力を出力しうる。
【００８０】
結晶粒の大きさ及び結晶軸の配向の相違は、準位相整合（ＱＰＭ）非線形変換器のように、材料の「パターニング」をもたらす。標準的なＱＰＭ材料と異なり、パターニングは規則的ではないが、ランダムである。一方では、ランダムにパターニングされた材料の非線形増幅はとても低い。もう一方では、ランダムなパターニングは、非常に大きな帯域の非線形周波数変換をもたらす。従って、多結晶Ｃｒ２＋：ＺｎＳの低い非線形増幅は、共振器内部のｆｓレーザーパルスの高いピーク強度によって補償される。まとめると、ランダム化されたＱＰＭを有する多結晶ＩＩ−ＶＩ材料の使用は、以下の重要な特徴を有する。
（ｉ）多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ材料の使用は、媒体の非常に大きな非線形帯域によりｆｓレーザーの放出光スペクトル全体の非線形周波数変換を可能にする。
（ｉｉ）多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ材料の非線形周波数変換は、ＳＨＧ、基本波長及びその光学高調波におけるレーザー放出の和周波数混合、ｆｓレーザーとその他のレーザー源（例えばポンプレーザー）との間の和差周波数混合などを含みうる。
（ｉｉｉ）垂直入射における多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ材料の取付けは、媒質内部のレーザービームの大きさ減少及びすなわち光学的強度の増加、並びにすなわち非線形変換効率の顕著な増加を可能にする。
（ｉｖ）ｆｓレーザーの平面共振器内部の多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ材料の取付けは、基本レーザー波長及び複数の２次波長など（ＳＨＧ、ＴＨＧ、ＦＨＧ，ＳＦＧ、ＤＦＧなど）におけるｆｓレーザーパルスの同時発生を可能にする。
（ｖ）ＫＬＭレーザーの平面共振器内部の垂直入射における多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ材料の取付けは、増幅素子の長さを増加させ、すなわち非線形相互作用の長さを増加させ、すなわち、非線形変換効率をさらに顕著に増加させることができる。
（ｖｉ）ＫＬＭレーザーの平面共振器内部の多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ材料の取付けは、後述するように、カー非線形性と材料のその他の非線形性との間の相互作用を介してｆｓレーザーパラメータの正確な制御を可能にする。
（ｖｉｉ）ＫＬＭレーザーの平面共振器内部の多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ材料の取付けは、共振器内部で循環する光学的出力が常に共振器外部の光学的出力よりも高いため、非線形変換効率を最大化することが可能になる。さらに、平面共振器内部の光学的出力（すなわち多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ材料内のレーザービームの強度）が出力カプラーの反射率の最適化によって正確に制御可能である。
（ｖｉｉｉ）ＳＨＧ、ＴＨＧ、ＦＨＧ、ＳＦＧ，ＤＦＧ波長における多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ  ｆｓレーザーの２次出力は、基本レーザー波長における高い反射率ＨＲ及び２次波長における高い透過率ＨＴを有する特別に設計されたダイクロイックミラーを介して実装可能である。
（ｉｘ）ＳＨＧ、ＴＨＧ、ＦＨＧ、ＳＦＧ、ＤＦＧ波長における多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ  ｆｓレーザーの２次出力は、基本レーザー波長におけるＨＴ及び２次波長におけるＨＲを有する特別に設計された誘電体被覆板を介して実装可能である。平板は、例えば多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ光学素子と共振器ミラーとの間に取り付けることができる。
【００８１】
図１２及び１２Ａは、多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩカーレンズモードロックレーザー５０のパラメータを制御するための概略を示す。図４の概略と同様に、図示された概略図は光学ポンプ源１、ポンプビーム集束成形光学系２、レーザー波長における高い反射率及びポンプ波長における高い透過率を有する折返し凹面誘電体被覆ミラー３、並びに垂直入射位置に取り付けられた反射防止（ＡＲ）被覆多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ増幅素子４’を有して構成される。増幅素子４’は、図１２Ａのステージ３０に取り付けられ、両矢印線で示されるようにレーザービームに沿った並進を可能にする。ＫＬＭレーザー５０はさらに、レーザー波長における高い反射率（並びにポンプ及び／またはＳＨＧ、ＴＨＧ、ＦＨＧ、ＳＦＧ、ＤＦＧ波長における任意選択的な高い透過率）を有する折返し凹面誘電体被覆ミラー５を含む。また、ＫＬＭレーザー５０は、レーザー波長における高い反射率を有する平面ミラー６（誘電体または金属被覆）、任意選択的な偏光素子及びプリズム７のような、ブルースター角でレーザー共振器内に取り付けられた平面平行平板として構成された分散補償のための素子も有する。開示されたＫＬＭレーザーはさらに、基本波長における出力レーザービーム９に対して透過性の出力カプラー８並びにＳＨＧ波（及び／またはＴＨＧ、ＦＨＧ、ＳＦＧ、ＤＦＧ波長）に対して透過性の２次出力１０を含む。レーザービームの経路は赤色で示され、ポンプビームは緑色で示される。
【００８２】
カーレンズモードロックレーザーは、カー効果、すなわち意図する光が光学媒体中を伝搬する際に発生する非線形光学効果に基づく。これは、媒体の屈折率の修正を瞬間的に発生させるものとして説明可能である。カー効果の「強度」は、光学強度ＳＫｅｒｒ〜Ｉに比例する。従って、増幅媒体中でレーザービームを強く集束することは、ＫＬＭレーザーには必須である。必要な集束は、通常、レーザービームのウェスト部分における２つの曲面ミラーの間に増幅媒体を配置し、曲面ミラー間の距離を最適化することによって達成される。レーザービームのウェスト部は図１２Ａに概略的に示されている。光学強度はレーザービームの面積に比例し、そのためウェスト部において最大値に達し、ビームの大きさが増加するにつれて減少する。
【００８３】
実験によれば、多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ媒体がＫＬＭレーザーに最適な材料であることが示される。また、実験によれば、多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ媒体が、前述のように中赤外線ｆｓパルスのためのむしろ効果的なＳＨＧ変換器であることが示される。ＳＨＧ効果の「強度」は光学強度の２乗であるＳＳＨＧ〜Ｉ２に比例する。
【００８４】
そのため、２つの非線形効果、すなわちカーレンズ化（Ｉに比例）及びＳＨＧ（Ｉ２）に比例）が同時に多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ  ＫＬＭレーザー内で発生する。カーレンズ化及びＳＨＧの光学強度に対する依存性の違いにより、レーザービームのウェスト部に沿った多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ増幅素子の並進による２つの非線形硬化の相対的な「強度」を変化させることができる。そのため、多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ媒体の非線形的な挙動は、これら２つの非線形効果の間で制御可能な方法で配分し直すことが可能である。
【００８５】
特に、図１３、１３Ａ及び１３Ｂは、図１２の曲面ミラー３及び５に対する増幅媒体４’の２つの位置（赤及び青）について得られた放出光スペクトル及び自己相関の軌跡を示している。これから分かるように、多結晶Ｃｒ：ＺｎＳ増幅素子の並進は、ｆｓレーザーのパラメータの顕著な変化につながる。パルス持続時間は８４ｆｓから６８ｆｓに減少した（放出光スペクトルの幅が比例的に増加した）。そのため、提案される方法によれば、ｆｓレーザーパラメータの正確な調整が可能である。さらに、多結晶Ｃｒ：ＺｎＳ増幅素子の並進は、ＳＨＧ波長におけるｆｓレーザー出力の変動をもたらした（約１０ｍＷから約２０ｍＷの間）。ＳＨＧ出力の増加は、基本波長におけるレーザー放出光スペクトルのひずみによって示される（レーザー放出光の大部分がＳＨＧに変換されるので、高いＳＨＧ出力は頂部の平らな放出光ピークに対応する）。図１４を参照すると、多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ  ＫＬＭレーザーパラメータの正確な制御の能力は、４６ｆｓのパルス持続時間という結果となり、これは前述のように、中赤外線ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ  ＫＬＭレーザーに関して従来技術では決して得られなかったものである。
【００８６】
多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ材料内にカー効果及び充分強いＳＨＧ効果が同時に存在することは、以下の重要な応用をもたらす。
（ｉ）ＫＬＭレーザーの平面共振器内部に取り付けられたレーザービームのウェスト部に沿った多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ増幅素子の並進により、基本波長における１次出力とＳＨＧ、ＴＨＧ、ＦＨＧ、ＳＦＧ、ＤＦＧ波長における２次出力との間のｆｓレーザー出力の正確な再配分が可能になる。
（ｉｉ）ＫＬＭレーザーの平面共振器内部に取り付けられたレーザービームのウェスト部に沿った多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ増幅素子の並進により、ｆｓレーザーのパラメータ（パルス持続時間、幅及び放出光スペクトルの形状）の正確な制御が可能になる。
（ｉｉｉ）多結晶ＴＭ：ＩＩ−ＶＩ材料内にカー効果及び充分強いＳＨＧ効果が同時に存在することにより、より短いレーザーパルスの発生が可能となる（従来のカーレンズモードロック方式と比較して）。
【００８７】
開示された構造の様々な変更が、その思想及び本質的な特性から逸脱することなくなされうる。そのため、前述の説明に含まれるすべての事項は単に例示的なものとして解釈されるべきであり、限定的な意味においては、本開示の範囲は添付した特許請求の範囲によって定義される。
【符号の説明】
【００８８】
１  光学ポンプ源
２  ポンプビーム集束及び成形光学系のシステム
３  折返し凹面誘電体被覆ミラー
４、４’  増幅媒体
５  折返し凹面誘電体被覆ミラー
６  平面ミラー
７  分散補償要素
８  出力カプラー
９  出力ビーム
１０  光源
１１  ブルースター取付け複屈折チューナー
１２  ブルースター取付けＹＡＧ平板
１３  ミラー
１４  平面ミラー
１５  平面ミラー
１６  ＳＨＧ出力
１８  ミラー
５０  ＫＬＭレーザー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４−４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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