(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体レーザ媒質、可飽和吸収ミラーおよび負群速度分散素子を共振器内に備えたソリトン型モード同期固体レーザ装置において、
前記固体レーザ媒質と可飽和吸収ミラーとが、レーリ長の２倍以下の距離で近接配置されており、
前記可飽和吸収ミラーの吸収変調深さΔＲが0.4％以上であり、
励起条件として、最大励起出力３Ｗ以下、またはパルスエネルギーＥＰの最大値が23nJ以下で励起し、前記共振器内を所定の波長の光が一往復した場合の共振器内全分散量の絶対値｜Ｄ｜（ただしＤ＜０）の最大値は、パルス帯域ΔλPより算出されるパルス幅τPから下記関係式により算出されるものであり、当該パルス帯域ΔλPは、前記可飽和吸収ミラーにより基本周期のソリトンパルス以外の動作様式が抑制可能なΔＧ（ＣＷ）≦ΔＲ／２、かつ、ΔＧ（ＤＰ）≦ΔＲ／Ｓを満たす（ここで、ΔＧ（ＣＷ）は基本ソリトンパルスに対するＣＷバックグラウンドの利得優位度であり、ΔＧ（ＤＰ）は基本ソリトンパルスに対するダブルパルスの利得優位度）パルス帯域であることを特徴とするモード同期固体レーザ装置。
【数１】
0005319989.tif 000008
（ただし、τP：パルス幅、λ0：中心波長、Ａeff,L (＝πωL2)：レーザ媒質における発振光ビーム断面積、ｎ2：レーザ媒質の非線形屈折率、ls：レーザ媒質の結晶長、ＥP：共振器内部パルスエネルギーである。）
【請求項２】
前記固体レーザ媒質を励起する励起光が、共振器光軸に対して斜め方向から入射し、
該光軸上またはその延長上に配置された、固体レーザ発振光を透過させるダイクロイックミラーで反射してこの光軸方向に進むように構成されていることを特徴とする請求項１記載のモード同期固体レーザ装置。
【請求項３】
前記固体レーザ媒質が、希土類が添加されたものであることを特徴とする請求項１または２記載のモード同期固体レーザ装置。
【請求項４】
前記希土類が、イッテルビウム（Yb）、エルビウム（Er）、あるいはネオジム（Nd）であることを特徴とする請求項３記載のモード同期固体レーザ装置。
【請求項５】
前記固体レーザ媒質が、Yb:YAG（Y3Al5O12）、Yb:KYW（K(WO4)2）、Yb:KGW（KGd(WO4)2）、Yb:Y2O3、Yb:Sc2O3、Yb:Lu2O3、Er,Yb：ガラス、Nd：ガラスのいずれかであることを特徴とする請求項３記載のモード同期固体レーザ装置。
【請求項６】
前記固体レーザ媒質がYb:KYWである場合は、前記共振器内全分散量Ｄが−2500fsec2以上、0fsec2未満の範囲であることを特徴とする請求項１記載のモード同期固体レーザ装置。
【請求項７】
前記固体レーザ媒質がYb:KGWである場合は、前記共振器内全分散量Ｄが−5750fsec2以上、0fsec2未満の範囲であることを特徴とする請求項１記載のモード同期固体レーザ装置。
【請求項８】
前記固体レーザ媒質がYb:YAGである場合は、前記共振器内全分散量Ｄが−1750fsec2以上、0fsec2未満の範囲であることを特徴とする請求項１記載のモード同期固体レーザ装置。
【請求項９】
前記固体レーザ媒質がYb:Y2O3である場合は、前記共振器内全分散量Ｄが−3250fsec2以上、0fsec2未満の範囲であることを特徴とする請求項１記載のモード同期固体レーザ装置。
【請求項１０】
前記固体レーザ媒質が、Yb:Lu2O3である場合は、前記共振器内全分散量Ｄが−3000fsec2以上、0fsec2未満の範囲であることを特徴とする請求項１記載のモード同期固体レーザ装置。
【請求項１１】
前記固体レーザ媒質が、Yb:Sc203である場合は、前記共振器内全分散量Ｄが−3000fsec2以上、0fsec2未満の範囲であることを特徴とする請求項１記載のモード同期固体レーザ装置。
【請求項１２】
前記固体レーザ媒質が、Er,Yb:ガラスである場合は、前記共振器内全分散量Ｄが−1200fsec2以上、0fsec2未満の範囲であることを特徴とする請求項１記載のモード同期固体レーザ装置。
【請求項１３】
前記共振器が直線型のものであることを特徴とする請求項１から１２いずれか１項記載のモード同期固体レーザ装置。
【請求項１４】
共振器モードウエスト直径が100μｍ以下であることを特徴とする請求項１から１３いずれか１項記載のモード同期固体レーザ装置。
【請求項１５】
前記負群速度分散素子が、プリズム対、回折格子対、負分散ミラーのいずれかまたは２つ以上の組み合わせからなるものであることを特徴とする請求項１から１４いずれか１項記載のモード同期固体レーザ装置。
【請求項１６】
前記負群速度分散素子が透過型負分散ミラーであって、共振器の出力鏡の機能を兼ね備えていることを特徴とする請求項１から１５いずれか１項記載のモード同期固体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体レーザ装置、特に詳細には、小型化が容易で短パルス動作が可能なモード同期固体レーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体レーザ（LD）を励起光源とし、それにより、希土類イオンあるいは遷移金属イオンを添加した固体レーザ媒質（レーザ結晶、セラミクス、ガラス等）を励起する固体レーザが活発に開発されている。その中でも、ピコ秒からフェムト秒領域のいわゆる短パルス光を発生する短パルスレーザは、医療、バイオ、機械産業、計測など、多岐にわたる応用分野が模索、提案され、実証を経て、一部実用化されている。
【０００３】
この種のレーザは、モード同期と呼ばれる動作により短パルスを発生している。モード同期とは、簡単に言えば、レーザ発振の際、周波数領域で見ると多数の縦モードの位相が全て同期しており（相対位相差=0）、このため縦モード間のマルチモード干渉により、時間領域では極めて短いパルスとなる現象である。固体レーザでは、半導体可飽和吸収ミラー（Semiconductor Saturable Absorbing Mirror; 以下、SESAMという）によるモード同期が、簡便さ、低コスト、小サイズ、さらに自己開始するという特長が有ることから、精力的に研究開発されている。
【０００４】
特に、モード同期の一つの形態であるソリトン型モード同期では、レーザ共振器内の負の群速度分散と、主にレーザ媒質での自己位相変調が組み合わさって、フェムト秒領域のパルス発生を可能としている。より詳しく言うと、ソリトン型モード同期とは、可飽和吸収ミラーによりモード同期が始動してパルスを維持安定化させるとともに、負の群速度分散と自己位相変調がバランスすることによるソリトンパルス形成を経てモード同期パルスの急峻化が起こり、安定なパルス発生を可能とするものである（非特許文献１，３参照：ソリトン型モード同期の定義）。
【０００５】
なお、このソリトン型モード同期を実現する固体レーザ装置は、基本的に、固体レーザ媒質、可飽和吸収ミラーおよび負群速度分散素子を共振器内に備えて構成される。なお、以下において、負群速度分散を単に負分散と称す場合もある。
【０００６】
図１８に、非特許文献１に示されている、従来のYbを添加したソリトン型モード同期固体レーザ（固体レーザ媒質はYb:KGd(WO4)2）の典型的な構成を示す。この図において、80は例えば波長980ｎｍの励起光を発する励起光源、81は１対設けられた励起光源80のそれぞれに対応して設けられた入力光学系、83は固体レーザ媒質、M1、M2は共振器を構成する例えば曲率半径20ｃｍの１対の凹面ミラー、84も曲率半径20ｃｍの凹面ミラー、85はSESAM、86および87はプリズム対を構成する例えばSF10ガラスからなるプリズム、88はナイフエッジ板、89は例えば透過率4.3％の出力カプラーである。
【０００７】
従来の装置においては、図１８に示すように、レーザ媒質でのレーザ発振光のビーム半径ωL、SESAMでのレーザ発振光のビーム半径ωAを小さくするため、凹面ミラーM1、M2および84によりレーザ発振光のビーム半径を固体レーザ媒質上とSESAM上とで別々に絞り込む構成が採られている。
【０００８】
のように、レーザ媒質上およびSESAM上におけるスポットサイズを小さくする理由は下記の２つである。まず第１の理由はレーザ発振閾値を低減するためであり、第２の理由はソリトンモード同期条件を満たすためである。
【０００９】
まず第１の理由について説明する。レーザ発振閾値Ｐthは、下記式（１）のように表される（非特許文献２参照）。
【数１】
0005319989.tif 000002
【００１０】
ただし、ωP：固体レーザ媒質中での励起光ビーム半径、ｈνp：励起光フォトンエネルギー、σ：固体レーザ媒質の誘導放出断面積、τ：上準位寿命、ηa：吸収効率、ｆ1：下準位の占有率、ｆ2：上準位の占有率、Ｌi：共振器内部損失、ＴOC：出力鏡透過率、Ｎ0：希土類イオン添加濃度、ls：結晶長である。
【００１１】
式（１）から、発振閾値を小さくするには、固体レーザ媒質中での発振光ビーム半径ωLと励起光ビーム半径ωPを小さくすれば良いことがわかる。
【００１２】
現状、エミッタ幅100μｍ程度の実用的な半導体レーザとしては、出力３Ｗ程度のものが市販されている。それを元に閾値を考えると、直径100μｍ以下に共振器モード半径ωL、励起スポット半径ωPを絞り込むことで、その他の共振器条件にもよるが、Yb:KGW以外にも様々なYb添加レーザ媒質で閾値を100ｍＷ（Yb:YAG）〜300ｍＷ（Yb:Y2O3）程度とすることができる。ただしここでは、Ｌi =1％、ＴOC =1％、結晶厚み1.0ｍｍ、希土類イオン添加濃度5at％とした。この閾値は、励起パワーの1/10程度と十分低いため、レーザ動作の高効率化を実現するものとなる。
【００１３】
次に、第２の理由である、ソリトンモード同期の条件について説明する。非特許文献３に記載されているように、ソリトン型モード同期レーザにおいて、Qスイッチ動作が混在したモード同期（Qスイッチモード同期）が、ある条件下で生じることが知られている。Qスイッチモード同期とは、Qスイッチパルス（周波数１ｋＨｚ〜数100ｋＨｚ、パルス幅がマイクロ秒からナノ秒）のロングパルスの中に、モード同期パルス列（周波数10ＭＨｚ〜１ＧＨｚ、パルス幅がピコ秒からフェムト秒）が並ぶ場合をいう。
【００１４】
この動作モードは、出力やパルス幅、パルス周期の安定性に欠けるので、エネルギー応用以外では一般的には望ましくない。前述の非特許文献３によれば、可飽和吸収ミラーを用いたソリトン型モード同期において、Qスイッチ動作を生じさせない条件は、以下の式(2)のように表される。
【数２】
0005319989.tif 000003
【００１５】
ここで、ＥP：共振器内部パルスエネルギー、ΔＲ：可飽和吸収ミラーの変調吸収深さ、Ｆsat,A：可飽和吸収ミラーの飽和フルーエンス、Ｆsat,L (＝ｈν/σ)：レーザ媒質の飽和フルーエンス、ｈν：レーザ光子エネルギー、Ａeff,A （＝πωA2）：可飽和吸収ミラーにおける発振光ビーム断面積、Ａeff,L (＝πωL2)：レーザ媒質における発振光ビーム断面積、ｇ：レーザ媒質のレーザ利得、
【数３】
0005319989.tif 000004
【００１６】
（ｎ2：レーザ媒質の非線形屈折率、Ｄ：共振器全体での一往復の群速度分散（Ｄ＜０）、λ0：発振光の中心波長、ΔνG：利得帯域幅）である。なお、(2)式において、左辺＝右辺としたときのＥPの解がモード同期閾値であり、(2)式を満たすとは、ＥPをそのモード同期閾値よりも大きくなるように設定することをいう。
【００１７】
式（２）から、Ｑスイッチモード同期の発生を避けるためには、レーザ媒質でのビーム断面積とSESAM上でのビーム断面積とを小さく、および/または共振器内部パルスエネルギーＥPを大きくする必要があることが分かる。
【００１８】
以上説明したレーザ発振閾値、およびCWモード同期閾値に関する２つの条件から、レーザ媒質、SESAMにおいてビーム断面積を縮小する必要がある。従来のモード同期固体レーザの場合、レーザ媒質を２枚の凹面ミラー（図１８の例ならばM1,M2；通常、曲率半径100〜200ｍｍのものが用いられる）により挟み込んでビームを絞り込み、かつ、SESAMでも凹面ミラーで集光する構成が多く採用されている。
【００１９】
上に述べたような構成を有する従来のモード同期固体レーザ装置では、最低３枚の凹面ミラーが必要で、場合により、さらにビーム折り返しのためのミラーが複数必要となる。それにより、モード同期固体レーザを構成する光学部品点数が増大し、ひいては装置コストがかさむことになる。
【００２０】
具体的な装置サイズとしては、凹面ミラーとレーザ媒質、SESAMとの間は曲率半径の半分程度の距離に設定するので、これだけで、150ｍｍ（曲率半径100ｍｍの場合）〜300ｍｍ（曲率半径200ｍｍの場合）程度の長さを必要とする。さらに負分散素子などの挿入スペースを考えると、500ｍｍ〜１ｍ級の共振器長が必要になり、このことがレーザ装置サイズの大型化を招く。なお図１８の構成では、負分散はプリズム86、87からなるプリズム対により与えられ、プリズム間隔は450ｍｍである。一般的に、固体レーザにおいてメートル級の共振器を組んだ場合、安定動作は難しく、この点から、従来装置はレーザ発振動作の安定性が低いものとなっていた。
【００２１】
そのため、モード同期固体レーザ装置においては、レーザ発振動作の安定を図るため装置の小型化が望まれている。
【００２２】
一方、特許文献１には、固体レーザ媒質とSESAMを近接配置することにより小型化したモード同期固体レーザ装置が提案されており、特許文献２では、固体レーザ媒質に可飽和吸収ミラーをコーティング形成すると共に、負分散ミラーが出力ミラーを兼ねる構成とすることで光学部品を低減し小型化したモード同期固体レーザ装置が提案されている。
【特許文献１】米国特許7,106,764号明細書
【特許文献２】特開平11-168252号公報
【非特許文献１】Optics Letters, vol.25 no.15 pp.1119-1121, 2000
【非特許文献２】Applied Optics, vol. 36 no.9, pp.1867-1874, 1997
【非特許文献３】Journal of Optical Society of America, vol. 16 no. 1, p.46-56, 1999
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
しかしながら、特許文献１および特許文献２のように、反射ミラーである可飽和吸収ミラーとレーザ媒質とを近接あるいは接触して配置した場合、下記のような問題がある。
【００２４】
レーザ共振器の中で、利得媒質であるレーザ媒質の光軸上の位置により、いわゆる空間ホールバーニング効果の生じ方に差異が生じ、それがモード同期現象と結合して、モード同期の安定性に影響を与えることが、Applied Physics B vol.72 pp.267-278, 2001（以下、参考文献１という）や、さらには文献Applied Physics B vol.61 pp.429-437, 1995および文献Applied Physics B vol.61 pp.569-579, 1995により知られている。
【００２５】
共振器を構成する反射ミラー面においては、内部に存在する光波電界の位相とびが生じ、電界強度が零になる「節」が存在する。レーザ媒質を反射ミラー近傍に配置した場合、レーザ媒質の中には、この位相飛びから来るレーザ光波強度の空間的な縞が生じる。これが空間ホールバーニングである。この反射ミラーの近傍にレーザ媒質が配置されている場合と、共振器の中間辺りにレーザ媒質が配置されている場合とでは、モード同期動作に次のような違いがあることが知られている。文献Optics Letters vol.25 no.11 pp.859-861, 2000には、反射ミラーと固体レーザ媒質とが密着配置されたLD励起薄ディスクYb:YAG（Yb:Y3Al5O12）レーザにおいて、700fsec近傍のパルス幅でのみ安定なモード同期が得られ、それ以外のパルス幅では安定なCWモード同期が得られないことが示されている。一方、空間ホールバーニングを緩和した系（反射ミラーから離した場合と物理的に等価）においては、より広範囲のパルス幅（90psecから800fsec）が実現可能であることが知られている（文献Optics Letters vol.26 no.6 pp.379-381, 2001参照）。
【００２６】
参考文献１では、反射ミラー近傍にレーザ媒質が配置された場合、利得スペクトル上に凹みが生じ、これが内部を周回しているソリトンパルスの不安定性を生じさせると記載されている。より詳しくは、反射ミラー近傍では空間ホールバーニング効果がより強く発現するため、レーザ媒質中に生じる空間ホールバーニングによる利得の縞模様が、レーザ共振器中を周回しているレーザパルス（ここでは、ソリトンパルスのためパルス帯域が比較的広い）の周波数領域での利得スペクトルの変調に繋がり、これが、ひいては所望のパルスと競合する現象（シフトパルス、ダブルパルス、CWバックグラウンド）の方に優先的に利得を与え、これにより、所望のソリトンパルスが競合に負け、上記の望ましくないパルス現象が生じ、不安定となるのである。
【００２７】
従って、特許文献１および特許文献２などのように、反射ミラーである可飽和吸収ミラーとレーザ媒質とを近接あるいは接触して配置した場合、空間ホールバーニング効果が顕著に起こり、ソリトンパルスが著しく不安定になると考えられる。
【００２８】
しかしながら、特許文献１および２には、空間ホールバーニング効果によるモード安定性への影響について何ら記載されておらず、モード安定性を図る方策が開示されていない。なお、前述した参考文献１では、LD励起Yb:YAGレーザにおける1030ｎｍ発振での700fsecパルス動作についてのみ検討され、しかも、数10Ｗの出力を狙う高出力領域動作の検討だけが行われている。100〜200fsecの短パルスが期待できる他の遷移、例えばYb:YAGの1050ｎｍ発振、Yb:KYW（Yb:KY(WO4)2）結晶、Yb:KGW（Yb:KGd(WO4)2）結晶、Yb:Y2O3、Yb:Sc2O3、Yb:Lu2O3やEr,Yb：ガラス、Nd:ガラスなどについてのモード同期安定条件は、全く検討されていない。
【００２９】
すなわち、モード同期固体レーザ装置を小型化するに当たり、小型化を達成するための構成提案はなされているが、小型化した構成において、ソリトンパルスを安定して発生させるための条件が明確にされていなかったために、実用的な、安定したモード同期発振が可能な小型なモード同期固体レーザ装置が困難であった。
【００３０】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、モード同期動作を安定させることができる条件を明確にし、小型、低コストでかつ安定性が高く、フェムト秒領域のCWモード同期を実現できる固体レーザ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
本発明によるモード同期固体レーザ装置は、前述したように、基本的に固体レーザ媒質、可飽和吸収ミラーおよび負分散素子を共振器内に備えてなるソリトン型モード同期固体レーザ装置において、
前記固体レーザ媒質と可飽和吸収ミラーとが、レーリ長の２倍以下の距離で近接配置されており、
前記可飽和吸収ミラーの吸収変調深さΔＲが0.4％以上であり、
下記関係式で表される、前記共振器内を所定の波長の光が一往復した場合の共振器内全分散量の絶対値｜Ｄ｜（ただしＤ＜０）が、前記可飽和吸収ミラーにより基本周期のソリトンパルス以外の動作様式が抑制可能なパルス帯域内に設定されていることを特徴とするものである。
【数４】
0005319989.tif 000005
【００３２】
（ただし、τP：パルス幅、λ0：中心波長、Ａeff,L (＝πωL2)：レーザ媒質における発振光ビーム断面積、ｎ2：レーザ媒質の非線形屈折率、ls：レーザ媒質の結晶長、ＥP：共振器内部パルスエネルギーである。）
ここで、上記の「共振器内に備えて」とは、その素子自体が共振器の終端を構成している場合も含むものである。
【００３３】
また、上記のレーリ長とは、ｚR＝πωA2/λで規定される値であり、レーザビーム半径が、ウエスト（この場合、ωA）の２１／２倍になる、ウエストからの光軸方向距離である。また、前記可飽和吸収ミラーと固体レーザ媒質との距離が「レーリ長の２倍以下」とは、両者の距離が０である場合、すなわち、可飽和吸収ミラーと固体レーザ媒質とが密着する場合を含むものとする。
【００３４】
また、上記「基本周期のソリトン以外の動作様式」とは、共振器において基本ソリトンパルスと競合して生じるダブルパルス、またはCWバックグラウンドなどの競合パルスを意味するものである（図３参照）。
【００３５】
図３と表１を参照して、基本ソリトンパルスに競合して生じる競合パルスを簡単に説明する。シフトパルスとは、基本ソリトンパルスと比較し、パルス帯域、パルスエネルギーは等しいが中心周波数がδνshiftだけシフトしたものである。CWバックグラウンドとは、時間領域ではパルスではなくCW（連続波）動作している成分であり、スペクトル上は狭線幅である。ダブルパルスとは、基本ソリトンパルスの1/2のエネルギー、1/2のパルス帯域を持つ２個のパルス列のことである。全て基本ソリトンから周波数シフトしているが、図３では説明を簡単にするために、CWバックグラウンドとダブルパルスについてはシフト量を零として描いている。
【表１】
0005319989.tif 000006
【００３６】
なお、シフトパルスは、可飽和吸収ミラーの吸収変調深さにより抑制できないパルスであり、上記における「基本周期のソリトンパルス以外の動作様式」には、シフトパルスを含まないものとする。
【００３７】
共振器内全分散量Ｄは、パルス幅（なお、パルス幅はパルス帯域に逆比例する）との関係において上記式のように表され、0.4％以上の所定値に設定された、可飽和吸収ミラーの吸収変調深さにおいて、空間ホールバーニング効果により生じる競合パルス（ダブルパルスおよびＣＷバックグラウンド）が抑制されるパルス帯域から求められる範囲に設定する。
【００３８】
本発明者らは、モード同期固体レーザ装置の小型化を図る過程において、レーザ媒質とSESAMとをレーリ長以下で配置することにより、レーザ媒質上にビームウエストを形成しない構成であっても、ソリトンモード同期パルスを発生可能であることを見出した。  
また、本発明者らは、装置を小型に構成した場合において、モードの安定性のために、可飽和吸収ミラーの吸収変調深さ、および共振器内全分散量に、所定の制限があることを見出し、これを明確にした。  
これらの可飽和吸収ミラーの吸収変調深さΔＲおよび共振器内全分散量Ｄの条件は、モード同期の安定性に関して仔細に検討した結果見出したものであり、本発明は、これらの知見に基づいてはじめて為しえたものである。
【００３９】
なお、本発明は空間ホールバーニング効果が生じる系を対象としているので、例えば前記非特許文献３に示されているような、レーザ媒質が共振器の中央付近に配置され、空間ホールバーニング効果が無視できる装置は本発明の範囲には含まれない。
【００４０】
また、本発明によるモード同期固体レーザ装置においては、固体レーザ媒質を励起する励起光が、共振器光軸に対して斜め方向から入射し、該光軸上またはその延長上に配置された、固体レーザ発振光を透過させるダイクロイックミラーで反射してこの光軸方向に進むように構成されていることが望ましい。なお、上記「斜め方向からの入射」とは、光軸と垂直な方向からの入射も含むものとする。
【００４１】
また、本発明のモード同期固体レーザ装置においては、固体レーザ媒質として、希土類が添加されたものが適用されることが好ましい。そのような希土類としては、イッテルビウム（Yb）、エルビウム（Er）、あるいはネオジム（Nd）が挙げられる。
【００４２】
さらに、上述のように希土類が添加された固体レーザ媒質の好ましい例としては、Yb:YAG（Y3Al5O12）、Yb:KYW（K(WO4)2）、Yb:KGW（KGd(WO4)2）、Yb:Y2O3、Yb:Sc2O3、Yb:Lu2O3、Er,Yb：ガラス、Nd：ガラス等が挙げられる。
【００４３】
他方、本発明のモード同期固体レーザ装置においては、共振器が直線型のものとして構成されることが望ましい。
【００４４】
また、本発明のモード同期固体レーザ装置においては、共振器モードウエスト直径が100μｍ以下であることが望ましい。なお、この「直径」は、光の進行方向に垂直な断面のビーム強度分布において、光強度が最大強度の１/ｅ2以上である領域で定義するものとする。
【００４５】
さらに、上述の負分散素子としては、プリズム対、回折格子対、負分散ミラーのいずれかまたは２つ以上の組み合わせからなるものを好適に用いることができる。
【００４６】
また、本発明のモード同期固体レーザ装置においては、負分散素子として透過型負分散ミラーが適用され、それが共振器の出力鏡の機能を兼ね備えていることが特に望ましい。
【００４７】
さらに、本発明のモード同期固体レーザ装置において、固体レーザ媒質がYb:KYWである場合は、共振器内全分散量Ｄが−2500 fsec2以上、0 fsec2未満の範囲にあることが望ましい。
【００４８】
一方、固体レーザ媒質がYb:KGWである場合は、共振器内全分散量Ｄが−5750 fsec2以上、0 fsec2未満の範囲あることが望ましい。
【００４９】
また、固体レーザ媒質がYb:YAGである場合は、共振器内全分散量Ｄが−1750 fsec2以上、0 fsec2未満の範囲あることが望ましい。
【００５０】
また、固体レーザ媒質がYb:Y2O3である場合は、共振器内全分散量Ｄが−3250 fsec2以上、0 fsec2未満の範囲にあることが望ましい。
【００５１】
また、固体レーザ媒質がYb:Lu2O3である場合は、共振器内全分散量Ｄが−3000 fsec2以上、0 fsec2未満の範囲にあることが望ましい。
【００５２】
また、固体レーザ媒質がYb:Sc2O3である場合は、共振器内全分散量Ｄが−3000 fsec2以上0 fsec2未満の範囲にあることが望ましい。
【００５３】
さらに、固体レーザ媒質がEr,Yb:ガラスである場合は、共振器内全分散量Ｄが−1200 fsec2以上、0 fsec2未満の範囲にあることが望ましい。
【００５４】
また本発明のモード同期固体レーザ装置において共振器長は、好ましくは200ｍｍ以下、より好ましくは100ｍｍ以下、さらに好ましくは75ｍｍ以下、さらに好ましくは50ｍｍ以下とされる。
【発明の効果】
【００５５】
図１に、後に詳述する本発明のモード同期固体レーザ装置の基本的な構成を示す。ここに示されるように本装置においては、固体レーザ媒質１５と可飽和吸収ミラー１６とが密着配置あるいは、可飽和吸収ミラー１６において形成される共振器モード半径により決定されるレーリ長の２倍以下の距離で近接配置されていることにより、少ないミラー枚数、つまり最小の場合は出力鏡凹面ミラーと可飽和吸収ミラーの２枚で、可飽和吸収ミラー上にビームウエストを形成し、その近傍に固体レーザ媒質も配置することができる。そこで、固体レーザ媒質と可飽和吸収ミラー双方でのビームスポット（Ａeff,A、Ａeff,L）を縮小でき、ひいては共振器長を十分短くできるため、小型の構成で、安定したCWモード同期レーザを実現可能となる。
【００５６】
一方、可飽和吸収ミラーとレーザ媒質とを従来と比較して大幅に近接して配置した場合、空間ホールバーニング効果が顕著に起こり、モード同期と密接に結合して安定条件に影響を与えるようになる。
【００５７】
しかし本発明者らは、本発明のように、可飽和吸収ミラーの吸収変調深さを０．４％以上とし、上述の式を満たす共振器内全分散量｜Ｄ｜を、該可飽和吸収ミラーにより競合パルスを抑制することが可能なパルス帯域となる所定値とすることにより、安定したソリトンモード発振を行うことが可能であることを見いだした。そして、共振器内分散量Ｄとしては、場合によっては−数千fsec2程度を必要とすることを明らかにした。従来においては、小型に構成したモード同期固体レーザ装置を安定に動作させる共振器内全分散量Ｄと可飽和吸収ミラーの吸収変調深さΔＲの条件が明確にされておらず、安定性の高い小型のモード同期固体レーザ装置の実現が困難であった。本発明の上記条件を満たすことにより、安定にソリトンモード発振を行うことができるモード同期固体レーザ装置を容易に実現することができる。
【００５８】
なお、本発明によるモード同期固体レーザ装置において、固体レーザ媒質を励起する励起光が、共振器光軸に対して斜め方向から入射し、該光軸上またはその延長上に配置された、固体レーザ発振光を透過させるダイクロイックミラーで反射してこの光軸方向に進むように構成された場合は、励起光学系が十分に小型化されるので特に好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５９】
以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施形態について説明する。
【００６０】
図１は、本発明の一実施形態によるソリトン型モード同期固体レーザ装置を示す概略側面図である。図示の通りこのモード同期固体レーザ装置は、励起光（ポンピング光）10を発する半導体レーザ11と、励起光10を共振器内に入力させる励起光学系12と、この励起光学系12の後段において、後述する共振器の光軸延長上に配されたダイクロイックミラー13と、共振器の一方の終端を構成する凹面出力ミラー14と、共振器の他方の終端を構成するSESAM（半導体可飽和吸収ミラー）16と、このSESAM16および出力ミラー14で構成される共振器の内部に配置された固体レーザ媒質15と、同じく共振器内に配置された負分散素子17とから構成されている。
【００６１】
本実施形態において、固体レーザ媒質15としては一例としてYb:KYW結晶が用いられている。半導体レーザ11としては、上記の固体レーザ媒質15を励起する波長980ｎｍの励起光10を発するものが用いられている。またダイクロイックミラー13としては、波長980ｎｍの励起光10を透過させ、波長1045ｎｍの固体レーザ発振光18を反射させる特性のものが用いられている。また負分散素子17としては、前述したようなプリズム対、回折格子対、負分散ミラーのいずれかまたは２つ以上の組み合わせからなるものが適用されている。
【００６２】
そして上述の固体レーザ媒質15とSESAM16とは、密着配置あるいは、SESAM16において形成される共振器モード半径（＝発振光のビーム半径）により決定されるレーリ長の２倍以下の距離ｄで近接配置されている。
【００６３】
以上の構成においては、ダイクロイックミラー13および出力ミラー14を透過して共振器内に入射した励起光10により固体レーザ媒質15が励起され、それにより発生した波長1045ｎｍの光が共振器の作用で発振する。その固体レーザ発振光18は出力ミラー14を一部透過し、ダイクロイックミラー13において反射することにより励起光10の光路から外れて外部に取り出される。
【００６４】
なお、共振器の外に配置したダイクロイックミラーを用いる場合、上記とは反対に、励起光10をそのダイクロイックミラーで反射させて共振器内に導き、発振光18はそのダイクロイックミラーを透過させて取り出すように構成することもできる。
【００６５】
そして、レーザ共振器内の負分散素子17の作用による負の群速度分散と、主に固体レーザ媒質15での自己位相変調が組み合わさって、フェムト秒領域のパルス発振光18が得られる。より詳しくは、SESAM16によりモード同期が始動してパルスを維持安定化させるとともに、群速度分散と自己位相変調がバランスすることによるソリトンパルス形成を経てモード同期パルスの急峻化が起こり、フェムト秒クラスの安定したソリトンパルス発生が可能となる。
【００６６】
ここで、レーリ長の２倍という条件について説明する。この条件は、固体レーザ装置において、ソリトンモード同期を生じさせ連続パルス発振を得るための上述の（１）および（２）式から本発明者が考察して得た条件である。固体レーザ媒質における発振光のビーム半径が大きくなり過ぎると、発振閾値およびCWモード同期閾値が大きくなり過ぎるとレーザ発振が起きない、あるいはモード同期が掛からずパルス発振ができないという問題が生じるが、固体レーザ媒質が発振光のビームウエストからレーリ長の２倍以下の位置に配置されていれば、ソリトン型のモード同期を得ることができる。
【００６７】
固体レーザ媒質15とSESAM16とをレーリ長の２倍程度離隔した場合、固体レーザ媒質15でのスポットサイズ（発振光ビーム半径）ωLは発振光ビームウエストωＡの2.2倍に広がる。これにより、レーザ発振閾値は前述の(1)式より固体レーザ媒質15に発振光ビームウエストがくるよう構成されている場合と比較して4.8倍に上がる。しかし、ビームウエストでのビーム半径ωＡ=25μｍ程度とすれば、発振光ビーム半径ωL＝2.2×25μｍであり、発振閾値を100ｍＷ以下にすることが可能である。なおこのときのレーリ長は1.9ｍｍ、2倍で3.8ｍｍである。発振閾値を100ｍＷ以下とすることができれば、十分高い効率で発振させることができる。
【００６８】
一方、前述の(2)式から、固体レーザ媒質15に発振光ビームウエストが来るよう構成されている場合と比較してCWモード同期閾値については、2.36ｎＪから5.93ｎＪ（ただしSESAM16の特性パラメータとして、ΔＲ＝0.9％、Ｆsat,A＝90μJ/ｃｍ2とした）とおよそ2.5倍程度の閾値の増大することが分かる。しかし、この程度の増大は、発振閾値を100ｍＷ以下に抑えられていれば、十分な発振出力を確保でき、問題なくＣＷモード同期が達成可能なレベルである。
【００６９】
このように、固体レーザ媒質とSESAMをレーリ長以下の距離で配置することにより、（１）式、および（２）式を満足させ、かつ、モード同期固体レーザ装置の小型化を図ることができる。すなわち、固体レーザ媒質とSESAMを上記距離で配置することにより、ソリトンパルスが発振可能な小型の固体レーザ装置を構成可能である。
【００７０】
しかしながら、前述の通り、固体レーザ媒質とSESAM（反射ミラー）を近接した場合、空間ホールバーニングが生じ、この空間ホールバーニングにより、競合プロセスが生じることから、ソリトンパルスが発生しても、競合パルスにより乱されてしまうという問題が生じる。
【００７１】
本発明者らは、SESAMの吸収変調深さΔＲと、共振器内全分散量Ｄを所定の範囲に設定することにより、この空間ホールバーニングにより生じる競合パルスを抑制し、安定なソリトンパルス動作を達成できることを明らかにした。
【００７２】
ここで図４に、Yb:KYW結晶に対して数値計算された、空間ホールバーニングより生じる競合パルスの利得優位度ΔＧのソリトンパルスのスペクトル帯域幅ΔλＰ（波長帯域で示している）に対する依存性を示す。この利得優位度ΔＧは、図１に示す構成のモード同期固体レーザ装置について、本発明者らが参照文献１記載の数式を適応させて求めたものである。図４の横軸は、レーザ発振しているソリトンパルスのスペクトル帯域（パルス帯域）ΔλＰである。また、ここで基本周期ソリトンパルスの利得Ｇとして、Ｇ＝0.04を想定した（この値は、励起光のパワー、スポット系、装置構成に依存するが、現実的な装置構成における値として設定したものである。）。なお、利得優位度とは、各競合プロセス（シフトパルス、CWバックグラウンド、ダブルパルス）と、ソリトンパルスとの利得の差を表している。図４から、常に、ソリトンパルスよりこれらの競合プロセスが僅かに高い利得を有することが分かる。所望の基本ソリトンでのCWモード同期を得るためには、これらの競合パルスを抑制する必要がある。
【００７３】
SESAM16は、パルスエネルギーＥPに応じた非線形反射特性を有しており（例えば前述の非特許文献３参照）、上記の競合過程のうち、CWバックグラウンドとダブルパルスの抑制に効果がある。より具体的には、CWバックグラウンド抑制のためには、変調深さΔＲの半分、すなわち、ΔＲ/２以下の利得優位度ΔＧであれば抑制できることが知られている。一方、ダブルパルスは、ΔＧがΔＲ/Ｓ［ここで、Ｓ＝ＥP/(Ｆsat,A・Ａeff,A）：SESAM飽和度］以下であれば抑制できる。
【００７４】
すなわち、図４において、ΔＧ（CW)≦ΔＲ／２、かつ、ΔＧ（DP)≦ΔＲ／Ｓを満たすパルス帯域においては、CWバックグランドとダブルパルスが抑制することができる。
【００７５】
一方、シフトパルスはSESAM16では抑制できない。これは、シフトパルスは、基本ソリトンパルスとパルス幅、パルス帯域、エネルギーにおいて同等で、周波数軸上でシフトしているもの（前記表１および図３参照）であることから、SESAM16に対して同じ飽和度を与えるため、弁別が効かないためである。
【００７６】
従って、シフトパルスの利得優位度ΔＧ（SP)が略０である範囲、かつΔＧ（CW)≦ΔＲ／２、かつ、ΔＧ（DP)≦ΔＲ／Ｓを満たすパルス帯域において、ソリトンモードが安定して生じるものとなる。なお、シフトパルスはSESAMで抑制できないため、ソリトンモードを安定して発生させることができるパルス帯域の下限は、シフトパルスにより制限される場合が多い。
【００７７】
さて一方、パルス幅τpは共振器内分散量Ｄの絶対値｜Ｄ｜と以下の比例関係で結び付けられる（非特許文献３参照）。
【数５】
0005319989.tif 000007
【００７８】
これらを考慮し、本発明者らは、ソリトンモード安定領域となるパルス帯域に制限があることは、共振器内全分散量Ｄに制限があることと等価であり、空間ホールバーニングを抑制して安定なソリトンモードを生じさせるためには、SESAMの吸収深さに応じて共振器内分散量Ｄを適切な範囲の値に設定する必要があることを明らかにした。図５に、（３）式から求めた共振器内全分散量のパルス帯域依存性を示す（パルス幅とパルス帯域とは逆比例の関係にある）。
【００７９】
以上の関係から、本発明者らは可飽和吸収ミラーを、共振器における基本ソリトンパルスに対するダブルパルスの利得優位度Ｇ（DP)、および基本ソリトンパルスに対するCWバックグラウンドの利得優位度Ｇ（CW)に対し、
ΔＧ（CW)≦ΔＲ／２かつ、ΔＧ（DP)≦ΔＲ／Ｓ・・・(Ａ）
を満たす吸収変調深さΔＲおよび飽和度Ｓを有するものとし、共振器内を所定の波長の光が一往復した場合の共振器内全分散量の絶対値｜Ｄ｜（ただしＤ＜０）を、（Ａ）式かつ、基本ソリトンパルスに対するシフトパルスの利得優位度Ｇ（SP)≒０を満たすパルス帯域の範囲に対応する値となるように装置を構成することにより、ソリトンパルスを安定して生じさせることができることを見出した。
【００８０】
以下、具体的な数値を用いて考察を行った。  
一般的なモード同期固体レーザ装置においては、SESAM飽和度Ｓ＝３〜５程度で設計されており、本発明の具体的な構成においてもこの範囲の値を想定しており、特に以下では、Ｓ＝４を採用している。
【００８１】
図４を参照すると、ダブルパルスの利得優位度の最小値はΔＧ＝0.05％であるので、このダブルパルスを抑制するには、Ｓ＝４としたとき、吸収変調深さの最低ラインとしてΔＲmin≧ΔＧ・Ｓ＝0.2％とする必要がある。
【００８２】
一般的に製造されているSESAMの変調深さΔＲは0.3％程度が最小値であり、通常、空間ホールバーニングが生じない系においては、ΔＲ＝0.3％〜2％程度がモード同期に適切とされている。しかし、例えば、ΔＲ＝0.3％、Ｓ＝4とした場合、CWバックグラウンドを抑制するためには、パルス帯域は、ΔＲ/２＝0.15％のところで制限され、4ｎｍ〜7ｎｍというパルス帯域しか安定に存在できない。また、ダブルパルス条件から、ΔＲ/Ｓ＝0.075％となり、4.5ｎｍ〜6.0ｎｍとなり、この範囲でしかパルスが安定でない。またシフトパルス条件から、4ｎｍ以上でしか存在できない（図４に示すようにシフトパルスの利得優位度は４ｎｍ以上でほぼ０となるため）。これらの条件の積集合を取ると、結局、ダブルパルス条件が最も厳しく、パルス帯域4.5〜6.0ｎｍでのパルスしか許されないことになる。これは、フーリエ変換限界のパルスとして、254fsecから191fsec（波長λ0=1045ｎｍ）のパルス幅（中心223fsec±14％）しか許されないという極めて限定された範囲になる。
【００８３】
ある程度余裕のあるパルス帯域を確保するためには、上述の最低ラインとなるΔＲmin＝0.2％の２倍以上は必要であり、現実的なSESAMの吸収変調深さはΔＲ≧0.4％である。ΔＲを0.4％以上とすることにより、パルス帯域を広げることができる。
【００８４】
例えば、ΔＲ＝0.8％、Ｓ＝４とした場合、可能なパルス帯域は、ΔλP＝4ｎｍ〜8ｎｍ、それに対応したパルス幅はτP＝287〜143fsecである。ΔＲ＝1.4％としたときには、パルス帯域を4ｎｍ〜11ｎｍまで広げることが出来、パルス幅287〜104fsecのパルスが生成可能である。
【００８５】
このように、SESAMの吸収変調深さを0.4％以上の所定の値とした場合、該ΔＲにより、ダブルパルスおよびＣＷバックグランドを抑制することができるパルス帯域（パルス幅）には制限がある。
【００８６】
さて、励起光源である半導体レーザとしてエミッタ幅が100μｍで出力３Ｗ級のものを想定し、共振器長を50ｍｍとし、伝送効率85％、吸収効率90％、光変換効率30％、出力結合ＴOC＝１％とすると、パルスエネルギーは、およそＥP＝23nJとなる。これがおよそ本発明で想定している最大のパルスエネルギーである（なお、図１に示すような本発明の対象となる小型な装置においては、これ以上パルスエネルギーは原理上達成できない。）。
【００８７】
この場合、図４を参照すると、104fsecパルス（パルス帯域11ｎｍに相当）を生成するには、950fsec2の負の分散量が必要である。安定範囲の下限４ｎｍ（シフトパルスによる制限）では、2500fsec2程度の負の分散量とすればよい。なお、共振器内全分散量ＤはパルスエネルギーＥPの関数でもあるので、パルスエネルギーが大きいと、より大きな分散量が必要になることから、本発明で想定している装置としては、これが共振器内全分散量の絶対値上限である。絶対値下限については、パルスエネルギーが小さくなればそれだけ共振器内全分散量も小さくする必要があり、図４から分かるように共振器内全分散量が略零の場合があり得ることから、絶対値下限は０超とした。
【００８８】
すなわち、図１に示した構成のモード同期固体レーザ装置において、固体レーザ媒質としてYb:KYWを用い、吸収変調深さΔＲ≧0.4％とした場合、共振器内全分散量Ｄは−2500fsec2以上０未満の範囲とする必要がある。もっとも、装置構成に応じて全分散量Ｄの範囲にはさらに制限がある。例えば、上述の例でΔＲ＝0.8％、Ｓ＝４、Ｅｐ＝20ｎＪとした場合、共振器内全分散量Ｄは−2500fsec2以上、−1400fsec2以下とする必要があり、また、ΔＲ＝1.4％、Ｓ＝４、Ｅｐ＝20ｎＪとした場合、共振器内全分散量Ｄは−2500fsec2以上、−1000fsec2以下とする必要がある。
【００８９】
この条件は、レーザ動作条件に影響を受けるが、大幅な変更は必要無い。その理由は以下の通りである。まずパルスエネルギーＥPが低い場合には、図５に示すように、必要な分散量は、絶対値として小さくなるため、上記の範囲でよい。さらに、パルスエネルギーが大きくなる場合は、-2500fsec2より絶対値として大きい負の分散が必要であるが、せいぜい２倍程度である。何故なら、パルスエネルギーが２倍以上大きくなることは、共振器長を２倍以上長くし繰り返しを小さくするか、または、光変換効率が２倍以上に向上する場合であるが、どちらも本発明の想定範囲外である。また、利得が大きい場合（励起パワーが大きい場合）、Ｇ＝0.10の場合の競合パルスの利得優位度ΔＧを図６に示す。図６のように、利得が大きくなると基本ソリトンパルスの安定範囲が狭まるため、分散量の範囲は上記で十分である。
【００９０】
なお、ここでは、安定条件として、絶対値で最大の分散量（すなわち最大のパルス幅）を規定したが、現実的には、より短いパルス幅を得ることが、レーザの応用上望ましい。さらに、具体的に装置を組み立てるに当たっては、安定／不安定の境界領域近傍は動作が不安定になりやすいことを考慮する必要がある。そこで1/5程度の分散量の余裕を持たせることが好ましく、例えば、ΔＲ＝0.8％、Ｓ＝４、Ｅｐ＝20ｎＪとした場合、共振器内全分散量Ｄは−2000fsec2以上、−1700fsec2以下とすることで、より安定なCWモード同期動作を実現できる。
【００９１】
またさらに、市販の分散ミラーの最大分散量の絶対値は1200fsec2程度であり、このミラー一枚で分散を与えるとすると、望ましくは絶対値1200fsec2以下で安定する条件となるようにΔＲを設定する等する必要がある。これは下記の他のレーザ材料においても同様である。なお、分散量を絶対値で1200fsec2超とする場合は、例えば後述する図７や図８の形態のように分散ミラーを複数枚設けることで実現できる。
【００９２】
以上説明した実施形態では、固体レーザ媒質15がYb:KYWからなるものであるが、競合パルスの基本ソリトンパルスに対する利得優位度について、Yb:KGW結晶でも、図４および図６と同様の計算結果が得られる。何故なら、Yb:KYWとYb:KGWとは、蛍光帯域幅、誘導放出断面積、吸収断面積などの各物性定数が、ほぼ同じであるからである。ただ一点異なることは、非線形屈折率ｎ2の値であり、Yb:KGW（ｎ2=20×10-20 ｍ2/Ｗ）はYb:KYW（ｎ2=8.7×10-20 ｍ2/Ｗ）の2.3倍の値である。したがって、共振器内分散量Ｄは、Yb:KYWを用いた場合よりも絶対値として2.3倍大きくする必要があり、固体レーザ媒質がYb:KGWである場合は、共振器内全分散量Ｄが−5750 fsec2以上0 fsec2未満の範囲が好ましいこととなる。
【００９３】
なお、図１の構成において共振器長は50ｍｍとしたが、共振器長が200ｍｍ以下であれば、モード同期の安定性とレーザ共振器の安定性を両立することができる。
【００９４】
先に述べたように共振器長を長くすることで、パルス繰り返しが下がり、パルスエネルギーが大きくなるため、CWモード同期閾値を容易に上回ることが可能になる。すなわち、CWモード同期に関する（2）式のみを考えれば、パルスエネルギーが大きいほど好ましく、共振器長は長ければ長いほど好ましいと考えられる。
【００９５】
一方、機械的な変動によるレーザ出力の不安定という観点から見ると、共振器長は無制限に長くすることはできない。一般的には、200ｍｍ程度が機械的な限界と考えられる。これは、以下の考察から導いたものである。  
一般的には、共振器長１ｍ程度のモード同期固体レーザ装置においては、機械的な振動・ドリフト、熱による機構部品の位置変異、剛性によるたわみなどに基づく光学アライメントのずれが、レーザ特性の劣化、不安定化をもたらしている場合が多い。共振器のアライメント許容度は、共振器長に逆比例し、ミラー曲率の関数であることが知られている。１ｍ級の装置におけるアライメント許容度は50〜100μrad程度であることが知られている（参考文献：N.Hodgson and H. Weber, Optical Resonators p. 219, Springer）。このため共振器長を200ｍｍ以下にすることで、許容度を5倍の250〜500μrad以上にすることができる。ミラーの機械変動は、一概に定量化できないが、一般的なジンバルで、50μrad（8℃の温度変動；Newport社カタログ）であり、１ｍ級共振器では許容度と同程度のミラー変動が生じるが、200ｍｍ以下であれば、許容度の1/5程度と、出力変動が無視できるレベルに留まる。
【００９６】
このように、モード同期の安定性のみならず、レーザ共振器の安定性を考慮して、両者が両立することが出来る範囲としては、共振器長200ｍｍ以下であることが好ましい。
【００９７】
なお、励起光10を固体レーザ媒質15において絞り込むための励起光学系12は、図２に示すように、ダイクロイックミラー13を介して、励起光10を共振器の光軸と斜めに入射させる構成を取ることもできる。そのようにすることで、屈折率分布型レンズ一枚の非常に簡素な励起光学系を使用可能となるので、著しく小型なモード同期固体レーザ装置を形成することができる。すなわち、図１の構成の場合と比較して、励起光源からレーザ媒質までの距離を短く取れるため、励起光学系を小型で簡素な構成とすることが可能となる。
【００９８】
次に、レーザ共振器の構成についてさらに説明を加える。図２に示した負分散素子17としてより具体的には、図７の実施形態に示すようにプリズム20,21からなるプリズム対を用いることもできるし、さらには図８に示す実施形態のように負分散ミラー30,31 からなる負分散ミラー対を用いることもできる。もちろん、負分散を呈するものであれば、これらに限るものではなく、負分散ファイバや回折格子対でも構わない。
【００９９】
例えば、SF10ガラスからなるプリズム対を用いる場合は、共振器長を40ｃｍ以下にすることができる。何故なら、後で示す適切な負分散量を-2500fsec2としたとき、プリズム間隔を30ｃｍ程度とすることができるためである（前述の非特許文献３参照）。負分散ミラーについては、波長ごとに進入深さの異なる誘電体多層膜をコートしたチャープミラー（文献：レーザー研究  第27巻第11号、pp.744-749参照）や、いわゆるエタロン干渉計を用いたGTI（Gires-Tournois Interferometer）ミラー（文献：IEEE  Transaction on Quantum Electronics, vol. 22, no.1 (1986) pp. 182-185参照）等が知られている。後者では、市販レベルのもので一面反射当たり-1000fsec2程度が実現可能であり、２枚を用いた場合、往復-4000fsec2もの負分散量が実現可能である。ただし本発明では、負分散量は、共振器内の正分散（レーザ媒質や通常のミラー、SESAM）の寄与を考慮した、正味の往復量で規定している。短共振器化としては、後者の負分散ミラーを使用するのが好ましい。この場合、共振器長は50ｍｍかそれ以下にまで低減できる。さらにこの場合、図9に示す実施形態のように、出力ミラー14のミラー面に透過型負分散コート17Ａを施すことにより、出力ミラー14が負分散ミラー17’を兼ねるようにしても良い。また、前者の場合には負分散ミラーとして、反射率99.8％程度のチャープミラーを用いることができる。
【０１００】
また、共振器構成は直線型であることが望ましいが、これに限らず、SESAM16と固体レーザ媒質15とが密接、あるいは前述の距離で近接していれば、どのような構成を取っていても構わない。例えば図１０、図１１に示す実施形態のように、L字型やV字型の共振器構造を採用することもできる。こうすることで、様々な幾何学的レイアウトが可能となる。なお図１０において40は発振光18を反射させる平面ミラーであり、また図１１において50は発振光18を反射させる凹面ミラー、51は出力ミラーである。
【０１０１】
また、代表的な短パルス材料であるYb:YAG結晶の1050ｎｍ発振について、競合パルスの基本ソリトンパルスに対する利得優位度を計算した結果を図１２に示す。ここでは、基本周期ソリトンパルスの利得Ｇとして、Ｇ＝0.07を想定している。
【０１０２】
この場合にも、Ｓ＝4のとき、ΔＲ≧0.4％とすることでソリトンパルスを安定に発生させる帯域を得ることができることが判る。例えば、ΔＲ=0.8％とすることにより、帯域2〜4ｎｍで、ダブルパルス、CWバックグラウンドを抑制することができる。さらにΔＲを大きくすることにより、より大きなパルス帯域でソリトンパルスを安定発振させることが可能となる。実用上は、300fsec以下の短パルス幅のソリトンモード同期を実現することが好ましく、従って、パルス帯域としては4ｎｍ（パルス幅287fsec相当）より大きくするのが好ましい。従って、Yb:YAGを用いる場合、ΔＲ≧0.8％以上とすることが望ましい。Yb:YAGの場合、Yb:KYWのおよそ70％の非線形屈折率（ｎ2=6.2×10-20 ｍ2/Ｗ）であるため、共振器内全分散量の最大分散量（絶対値）もYb:KYWの最大分散量（絶対値）の70％であり、−1750fsec2以上0 fsec2未満である。
【０１０３】
固体レーザ媒質としては、単結晶を用いるのが一般的であるが、近年、ガーネット系材料など（YAG）では、セラミクス状態でのレーザ媒質の作製も行われており、本発明ではその種の固体レーザ媒質を用いることも可能である。セラミクスは、単結晶に比べ、同等またはそれ以上の光学的特性を有しながら、同時に大型化が可能であり、コスト削減が期待できる。ガーネット以外でも、Ｃ希土類と呼ばれる一群ではセラミクス化が可能であり、Yb:Y2O3、Yb:Sc2O3、Yb:Lu2O3などがこれに相当する（文献：Optics Express, vol. 11 no.22 (2003) pp. 2911-2916参照）。また、ガラスなど、本質的に大型化が可能で低コストの材料も、レーザ媒質として使用実績がある。Ybを添加したガラスや、Er,Yb共添加ガラス（文献：Optics Letters, vol. 30 no.3 (2005) pp. 263-265参照）では、もともとガラスの有する広帯域発光を利用したデバイスが作製されている。これらに対しても、本発明は有効である。
【０１０４】
次に図１３に、Yb:Y2O3について、競合パルスの基本ソリトンパルスに対する利得優位度の計算結果を示す。ここでは、基本周期ソリトンパルスの利得Ｇとして、Ｇ＝0.06を想定している。
【０１０５】
この場合にも、Ｓ＝4のとき、ΔＲ≧0.4％とすることでソリトンパルスを安定に発生させる帯域を得ることができることが判る。例えば、ΔＲ＝0.8％とすることにより、パルス帯域4〜6ｎｍで、ダブルパルス、CWバックグラウンドを抑制することができる。このように、ΔＲ＝0.4％のとき、ダブルパルス、CWバックグランドを抑制可能なパルス帯域は4ｎｍ近傍のみと非常に狭いが、ΔＲ≧0.8％以上とすることにより、より広いパルス帯域で競合パルスを抑制することが可能となる。
【０１０６】
また、Yb:Y2O3の場合、Yb:KYWのおよそ1.3倍の非線形屈折率（ｎ2=1.16×10-19 ｍ2/Ｗ）であるため、その分、分散量Ｄの絶対値も1.3倍となる。従って、Yb:Y2O3についての、共振器内全分散量Ｄの好ましい範囲は、−3250fsec2以上０未満である。
【０１０７】
次に、Yb:Lu2O3について計算した結果を図１４に示す。ここでは、基本周期ソリトンパルスの利得Ｇとして、Ｇ＝0.05を想定している。この場合にも、Ｓ＝4のとき、ΔＲ≧0.4％とすることでソリトンパルスを安定に発生させる帯域を得ることができ、さらにΔＲを大きくすることによりその帯域を広げることができることが判る。
【０１０８】
また、Yb:Lu2O3の場合、Yb:KYWのおよそ1.2倍の非線形屈折率（ｎ2＝1.0×10-19 ｍ2/Ｗ）であるため、その分、共振器内全分散量Ｄの絶対値も1.2倍となる。従って、Yb:Y2O3についての、共振器内全分散量Ｄの好ましい範囲は、−3000fsec2以上０未満である。なお、Yb:Lu2O3と同じ結晶構造を有し、ほぼ同等の非線形屈折率を有するYb:Sc2O3については、Yb:Lu2O3と同様の条件となる。
【０１０９】
次に図１５に、Er,Yb共添加燐酸ガラスを用いた場合の競合パルスの基本ソリトンパルスに対する利得優位度の計算結果を示す。ここでは、基本周期ソリトンパルスの利得Ｇとして、Ｇ＝0.02を想定している。
【０１１０】
Er,Yb共添加燐酸ガラスにおいては、Ybイオンで励起光を吸収し、エネルギー移乗を経て、Erイオンへとエネルギーを移す。さらに、燐酸ガラスという比較的フォノンエネルギーの大きな媒質を用いることで、励起準位4I11/2からレーザ上準位4I13/2へと高速緩和する。これにより、高効率で反転分布を形成できる。この場合、発振は1550ｎｍ近傍、励起は980ｎｍである。
【０１１１】
Er,Yb共添加燐酸ガラスをレーザ媒質として用いる場合、波長1550ｎｍ〜1600ｎｍの発振光18を直接取り出すだけではなく、図１６に示すように発振光18を非線形光学結晶60に通して、第２高調波61を発生させるように構成することもできる。その場合は、発振光を波長780ｎｍ〜800ｎｍの帯域へと変換できる。こうすると、従来800ｎｍ近傍での固体レーザはTiSapphireなどの遷移金属結晶が必要で、かつ励起光源として532ｎｍ緑色レーザが必要であったところ、赤外波長帯域の半導体レーザ励起が可能でかつ、本質的に高効率な希土類遷移を使用できるというメリットが得られる。
【０１１２】
Er,Yb共添加燐酸ガラスの場合、２ｎｍのパルス帯域でシフトパルスが略０となる。実用上は、600fsec以下の短パルス幅のソリトンモード同期を実現することが好ましく、従って、パルス帯域としては4ｎｍ（パルス幅600fsec相当）より大きくするのが好ましい。
【０１１３】
またEr,Yb共添加燐酸ガラスは、非線形屈折率が小さいため（ｎ2=3×10-20 ｍ2/Ｗ）、分散量も小さくでき、共振器内全分散量の好ましい範囲は、-1200fsec2以上、0 fsec2未満である。
【０１１４】
さらに、Ndを添加したレーザガラス材料においても、同様に考えることができる。例えばNdを添加したリン酸系レーザガラスにおいて、競合パルスの基本ソリトンパルスに対する利得優位度を計算した結果を図１７に示す。
【０１１５】
この場合でも上述の場合と同様の考察により、パルス帯域４ｎｍ以上とすることが好ましい。Nd:リン酸ガラスの場合、非線形屈折率は、ｎ2=2.8×10-20 ｍ2/Ｗと、Yb:KYWの1/3程度であるため、その分、分散量Ｄも1/3となり、共振器内全分散量の好ましい範囲は、−800fecs2以上、0 fsec2未満である。
【０１１６】
また本発明においては、共振器を構成する素子のパラメータを上記のように設定した上で、さらに励起光を、共振器内に挿入されたダイクロイックミラーにて導入する構成を取ることもできる。このことで、従来装置では、図１８に示したような複雑で大きな励起光学系を必要とするのに対し、励起光学系を大幅に小型、簡素化、さらに低コスト化できる。ひいてはレーザ出力の安定化が可能である。従来は、共振器を構成するミラー（図１８では、曲率半径20ｃｍの凹面ミラー）を介して励起していたため、装置が大型、複雑で高コストであった。
【０１１７】
より詳しく説明すると、以下のようになる。励起光を固体レーザ媒質に集光する際、励起用半導体レーザのslow軸（遅軸；エミッタに平行）方向のビームスポットを、概ね1対1から1対2程度の倍率で集光することが多い。このとき、共振器凹面ミラーを介する場合は、凹面ミラーと結晶までの距離が励起光学系の後方焦点距離に概略相当する。一枚レンズ系でこれを実現する場合、励起光学系の前側には、この距離の半分からほぼ同等だけの距離が必要である。凹面ミラーとしては曲率半径100ｍｍ〜200ｍｍ程度の凹面を用いることが多く、凹面ミラーと結晶との距離はこの半分の50ｍｍから100ｍｍ必要である。従って、半導体レーザからレーザ結晶までの距離は、75ｍｍ（凹面曲率半径100ｍｍで1:2結像）〜200ｍｍ（凹面曲率半径200ｍｍで1:1結像）だけ必要となる。
【０１１８】
さらに、一般的には１枚レンズ系ではなく、図１８のように複数枚のレンズを組み合わせることが行われている。励起半導体レーザのfast軸（速軸、エミッタに垂直方向）の発散角が大きいため、一般的には、fast軸に対するコリメートおよび集光用のレンズ系と、slow軸用のコリメートおよび集光用のレンズ系を組み合わせることが行われている。このような構成では、最低でも、fast軸コリメートレンズ、slow軸コリメートレンズ（場合によりslow軸の拡大レンズ）、集光レンズの３〜４枚が必要である。このように、共振器ミラーを介した励起を行うと、励起光学系のレンズ系が大きく、複雑になりやすいという問題がある。
【０１１９】
それに対して、本発明において適用するダイクロイックミラーは一般に、励起光を高反射（反射率＞85％）で反射するとともに、レーザ発振光を無反射（反射率＜0.5％）で透過させるものである。このため、挿入に伴うレーザ発振効率の低下は最小限に抑制できるとともに、励起光源を従来の光学系よりも固体レーザ媒質に近づけることができるという利点がある。なお、このダイクロイックミラーは、45度入射あるいはブリュースター角での入射が望ましい。ダイクロイックミラーには、励起光の入射角度に応じたコート設計を施せばよい。
【０１２０】
さらに、上記のダイクロイックミラーを用いる場合は、励起光学系として屈折率分布型レンズ（GRINレンズ＝Graded Index レンズ） 等の一枚レンズを用いることが可能になる。この理由は、固体レーザ媒質と励起光学系レンズまでの距離を短縮できることに起因する。実際、1対2の結像系を構成するとして、例えば、ピッチ0.23、実効焦点距離1.94ｍｍのGRINレンズ（Thorlabs社製、レンズ長4.42ｍｍ、レンズ直径1.8ｍｍ）を用いる場合、d1=2/3f=1.3ｍｍ、d2=2×d1=2.6ｍｍと、レンズ自体の長さを加えても、概略1.3+2.6+4.4=8.3ｍｍと極めて小さく配置できる。従来は、1:2の光学倍率を実現するのに、前述したように、図１７に示す従来の装置ように凹面出力ミラーを介して励起光を入射させる構成をとると、それだけで、75ｍｍ〜200ｍｍもの長さが必要になる。したがって、本発明において上述のようなダイクロイックミラーを適用する場合は、極めて小さな励起光学系が実現できると言える。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】本発明の一実施形態によるモード同期固体レーザ装置を示す概略側面図
【図２】本発明の別の実施形態によるモード同期固体レーザ装置を示す概略側面図
【図３】モード同期固体レーザ装置におけるパルス競合現象を説明する図
【図４】モード同期レーザ装置におけるパルス帯域と利得優位度との関係の一例を示すグラフ
【図５】パルス帯域と必要な分散量との関係を示すグラフ
【図６】モード同期レーザ装置におけるパルス帯域と利得優位度との関係の一例を示すグラフ
【図７】本発明のさらに別の実施形態によるモード同期固体レーザ装置を示す概略側面図
【図８】本発明のさらに別の実施形態によるモード同期固体レーザ装置を示す概略側面図
【図９】本発明のさらに別の実施形態によるモード同期固体レーザ装置を示す概略側面図
【図１０】本発明のさらに別の実施形態によるモード同期固体レーザ装置を示す概略側面図
【図１１】本発明のさらに別の実施形態によるモード同期固体レーザ装置を示す概略側面図
【図１２】モード同期レーザ装置におけるパルス帯域と利得優位度との関係の一例を示すグラフ
【図１３】モード同期レーザ装置におけるパルス帯域と利得優位度との関係の一例を示すグラフ
【図１４】モード同期レーザ装置におけるパルス帯域と利得優位度との関係の一例を示すグラフ
【図１５】モード同期レーザ装置におけるパルス帯域と利得優位度との関係の一例を示すグラフ
【図１６】本発明のさらに別の実施形態によるモード同期固体レーザ装置を示す概略側面図
【図１７】モード同期レーザ装置におけるパルス帯域と利得優位度との関係の一例を示すグラフ
【図１８】従来のモード同期固体レーザ装置の一例を示す概略平面図
【符号の説明】
【０１２２】
10    励起光
11    半導体レーザ
12    励起光学系
13    ダイクロイックミラー
14,51    出力ミラー
15    固体レーザ媒質
16    SESAM（半導体可飽和吸収ミラー）
17    負分散素子
17Ａ  透過型負分散コート
18    固体レーザ発振光
20,21    プリズム
30,31    負分散ミラー
40    平面ミラー
50    凹面ミラー
60    非線形光学結晶
61    第２高調波
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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