(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振空胴（２０）を含む、レーザをモード同期するための装置であって、前記共振空洞（２０）は、第一鏡（１）及び第二鏡（８）によって画定されるものであって、基本周波数（ω１）におけるレーザ放射線ビームを増幅するための能動レーザ利得媒質（５）と、固体非線形光学手段（１０）とを有し、前記固体非線形光学手段（１０）は、前記基本周波数（ω１）における放射線の調波周波数（ω２）における放射線への可逆変換のために、少なくとも前記第二鏡（８）を含むとともに、前記基本周波数（ω１）における放射線の強度が増加するにつれて増加する反射係数を有するものであり、前記装置が前記共振空胴（２０）において固体強度リミッタ（４）をさらに含み、レーザ放射線のその透過係数が前記放射線の強度が増加するにつれて減少するものにおいて、前記強度リミッタ（４）がＧａＡｓ，ＣｄＳｅ又はＩｎＰプレートを含むことを特徴とする装置。
【請求項２】
レーザがパルス型のレーザであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
非線形光学手段（１０）が二色鏡に相当する前記第二鏡（８）及び基本周波数における放射線を調波周波数における放射線に変換できる非線形結晶（７）を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
非線形光学手段（１０）が二色鏡に相当する前記第二鏡（８）、基本周波数における放射線を調波周波数における放射線に変換できる非線形結晶（７）、及び偏光選択及び偏光修正の少なくとも一方のための少なくとも一つの構成要素を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
【請求項５】
前記非線形結晶がＢＢＯ結晶であることを特徴とする請求項３又は４に記載の装置。
【請求項６】
強度リミッタ（４）が能動利得媒質（５）のレーザ放射線入口側上に置かれており、非線形光学手段（１０）が能動利得媒質（５）のレーザ放射線出口側上に置かれていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
強度リミッタ（４）が非線形光学手段（１０）と能動利得媒質（５）の間に置かれることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
能動利得媒質がＮｄ：ＹＡＧ結晶であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
非線形光学手段（１０）が基本周波数（ω１）における放射線の反射係数より大きい第二の調波周波数（ω２）における放射線の反射係数を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
共振空胴（２０）を含む、レーザをモード同期するための装置であって、前記共振空洞（２０）は、第一鏡（１）及び第二鏡（８）によって画定されるものであって、基本周波数（ω１）におけるレーザ放射線ビームを増幅するための能動レーザ利得媒質（５）と、固体非線形光学手段（１０）とを有し、前記固体非線形光学手段（１０）は、前記基本周波数（ω１）における放射線の調波周波数（ω２）における放射線への可逆変換のために、少なくとも前記第二鏡（８）を含むとともに、前記基本周波数（ω１）における放射線の強度が増加するにつれて増加する反射係数を有するものであり、前記装置が前記非線形光学手段（１０）と組合せて共振空胴（２０）のＱについて正帰還及び負帰還の両方を確実にするように、基本周波数における放射線の強度が増加するにつれて減少する透過係数を持つＧａＡｓ，ＣｄＳｅ又はＩｎＰプレートを含む強度リミッタを与えられていることを特徴とする装置。
【請求項１１】
レーザがパルス型のレーザであることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
レーザをモード同期するための方法において、能動レーザ媒質（５）を刺激することによって基本周波数（ω１）におけるレーザ放射線ビームを放出し、基本周波数（ω１）におけるビームを調波周波数（ω２）におけるビームに変換し、調波周波数（ω２）におけるビームを共振空胴（２０）に戻し、調波周波数（ω２）におけるビームを基本周波数（ω１）におけるビームに再変換し、そして少なくとも一つのＧａＡｓ，ＣｄＳｅ又はＩｎＰプレートによって共振空胴（２０）内で基本周波数（ω１）におけるビームの強度を制限することを含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
レーザがパルス型のレーザであることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明はレーザ、特にパルスモードで機能するレーザ、をモード同期するための装置及び方法に関する。
【０００２】
従来技術
レーザ空胴はオートコリメーションで、即ち対面して、向けられた二つの鏡によって画定される共振器の内側に置かれた光学利得媒質からなる。利得媒質が活性化されると、光学発振は装置が極めて高い空間及び分光明るさを特徴とする光ビームを放出できるように空胴中に維持される。
【０００３】
レーザ空胴のモード同期は典型的には１００ピコ秒未満のパルス長（それは使用される利得媒質によって２、３フェムト秒以下であってもよい）を有する高いピーク強さのパルスを発生するように短い光パルスを強制的に前記共振器内で循環させることにある。
【０００４】
有名なレーザとしては利得媒質が継続的に、即ち数秒から数時間、活性化される連続タイプのレーザが挙げられる。連続モード同期レーザは共振器中のパルスの循環（あちらこちらへ動く）時間に対応して、２、３０秒から２、３００メガヘルツのオーダの反復割合で短いパルスを発生してもよい。
【０００５】
この高い反復割合はこのタイプのレーザが低エネルギー光パルスを放出することを意味する。それにもかかわらず、このタイプのレーザはＬＩＤＡＲ技術、又は“線形”吸収分光法、光イオン化分光法、蛍光分光法などの如き、高い平均光パワーを必要とするが低いパルスエネルギーでなしうることができる多くの用途に対して適切である。
【０００６】
さらに、（１／５０未満の）極めて低い作業サイクルを特徴とするパルス型のレーザが存在する。この利得媒質は典型的には２、３０秒ヘルツの低い反復割合で典型的には１ミリ秒未満の短時間、活性化される。パルスモードでは、利得媒質はモード同期パルスレーザが連続型のモード同期レーザによって発生されるものより顕著に大きいエネルギーのパルスを発生できるように、利得媒質における光エネルギーの大きな貯蔵量に対応して一時的に極めて高く活性化されてもよい。しかしながら、第一に、利得媒質の増幅率が過渡能動期間中一定でないこと、及び第二にレーザ空胴における光学発振の安定性がある時間量を必要とするダイナミック法であり、従って利得媒質の能動時間中不完全であるかもしれないことがモード同期の効率を制限し、結果として発生した前記光パルスの短さ及びエネルギー安定性を制限する。
【０００７】
パルスレーザは例えば材料の融蝕、レーザカッティング及び表面処理のため、及び多光子共振イオン化法又は周波数合計生成分光法のための高エネルギー光パルスを必要とする製造方法、及びレーザの低い反復割合を必要とするいかなる技術（時間分解測定）に使用される。
【０００８】
パルス型のレーザをモード同期するための一つの方法は所望により強度リミッタと組み合わされた色素（液体溶媒）を含有するセルをレーザ空胴中に挿入することである。この装置は幾つかの欠点を有する。特に下記のものがある：
−  セル中で循環する溶媒の移動性及び異質性は放出されたパルスのエネルギー不安定性を起こす要因である。
−  前記色素の化学的又は光化学的分解は技術者がモード同期工程を最適化するために規則的に介入する必要を生ずる。
【０００９】
文献ＵＳ−Ａ  ４９１４６５８はレーザをモード同期するための非線形光学手段を作るために二色鏡及び非線形結晶と組み合わせたネオジミウムドープしたイットリウムアルミニウムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）の如き固体状態レーザを記載する。装置の最も簡単な例では、非線形結晶は利得媒質によって増幅される基本ビームから第二調波におけるビームを発生することができる。非線形結晶によって変換されない基本ビームの部分の共振空胴における発振は基本周波数におけるものより大きい第二調波周波数における反射係数を持たなければならない二色鏡によって消極的に区別される。
【００１０】
非線形結晶と二色鏡の間の光学距離の調整は非線形結晶においての第二調波におけるビームの基本ビームへの効率的な再変換を得るように基本ビームと第二調波におけるビームの間の好適な位相シフトを得ることを可能にする。この位相シフトは非線形結晶と二色鏡の間に透明プレートを挿入することによって得られることもできる。
【００１１】
非線形光学手段は利得媒質によって発生された基本周波数におけるビームの瞬間パワーが増大するとき、レーザ空胴のＱ(quality factor)を増大すること、即ち二色鏡に対する反射によるレーザビームのエネルギー損失を減少することに役立つ。換言すれば、非線形光学手段は基本周波数におけるビームの瞬間パワーの関数としてレーザ空胴のＱについて正帰還を誘発する。
【００１２】
非線形光学モード同期装置は基本周波数におけるビームのパワーに対する第二調波におけるビームのパワーの比が基本周波数におけるビームのパワーが増加するにつれて増加することも特徴とする。
【００１３】
文献ＥＰ−Ａ  ０９５１１１１は文献ＵＳ−Ａ  ４９１４６５８に記載された原理に基づいて、好ましくは連続モードでも作用するレーザをモード同期するための装置及び方法を提案する。この場合において、非線形結晶を使用することによって基本周波数におけるレーザビームの部分を第二調波におけるビームへ変換することが提案されている。非線形結晶において変換されない基本ビームの部分の共振空胴における発振はリターデーションプレート及び偏光子の組合せによって消極的に区別される。前記文献では、利得媒質はＮｄ：バナデートであり、非線形結晶はリチウムトリボレートであり、リターデーションプレートはλ／４＝１０６４ｎｍ及びλ／２＝５３２ｎｍのリターデーションを有する。リターデーションプレートは非線形結晶と二色鏡の間に置かれ、偏光子は利得媒質と非線形結晶の間に置かれる。
【００１４】
非線形結晶の後に置かれる二色鏡が基本周波数における反射係数より大きくない第二調波周波数における反射係数を有することが前記文献において指摘されている。
【００１５】
前記文献に記載された非線形光学手段は利得媒質によって発生された基本周波数におけるビームの瞬間パワーが増加するとき、レーザ空胴のＱを増加すること、即ち偏光子に対する反射によるレーザビームのエネルギー損失を減少することに役立つ。換言すれば、非線形光学手段は基本周波数におけるビームの瞬間パワーの関数としてレーザ空胴のＱについて正帰還を誘発する。
【００１６】
二つの上述の文献ＵＳ−Ａ  ４９１４６５８及びＥＰ−Ａ  ０９５１１１１に記載された装置は連続レーザの効率的なモード同期を可能にする。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ利得媒質が使用されるとき、１０ピコ秒以下のＦＷＨＭ（半値全幅）の短いパルスを発生することができる。しかしながら、これらの装置はパルスレーザの場合には適切に作動しない。文献ＵＳ−Ａ  ４９１４６５８に記載された装置によって今まで得られた最も短いパルス幅はパルスＮｄ：ＹＡＧレーザの場合では３５ピコ秒ＦＷＨＭ（半値全幅）である。これらの劣った性能レベルは能動媒質の利得率、光パルスのエネルギー及び非線形装置に使用される非線形結晶に対する変換率は利得媒質の活性期間中に大きく変化し、それは共振空胴における光学発振のいかなる安定も妨げる。さらに、利得媒質の活性時間中に光パルスによって生成される、空胴内の少数のあちらこちらに動く循環、従って非線形装置との相互作用もまたモード同期の効率を制限する。
【００１７】
発明の目的
本発明はパルスレーザの場合であっても、特に短いパルスを得ることができ、しかも大きなエネルギー安定性を有する、レーザをモード同期するための装置及び方法を提供することを目的とする。
【００１８】
特に、本発明は従来技術の装置及び方法の欠点を克服することを目的とする。
【００１９】
特に、本発明は固体構成要素だけからなり、色素（液体溶媒）を使用する装置と比較すると簡単に維持でき、頑丈で高価でない装置を提案することを目的とする。加えて、使用される様々な構成要素は低いレベルの経時変化を示さなければならないだろう。
【００２０】
発明の主要な特徴
本発明は第一鏡及び第二鏡によって画定されるレーザ空胴を含み、基本周波数におけるレーザビームを増幅するための能動媒質、及びビーム強度が増加するにつれて増加する反射係数を有しかつ少なくとも前記第二鏡を含む固体非線形光学手段を与えられている、レーザ、特にパルス型のレーザをモード同期するための装置に関し、前記装置がレーザ空胴において固体強度リミッタをさらに含み、基本ビームのその透過係数が前記レーザビームの強度が増加するにつれて減少することを特徴とする。
【００２１】
特に、文献ＵＳ−Ａ  ４９１４６５８及びＥＰ−Ａ  ０９５１１１１に記載されたような装置は非線形光学手段を使用することによって基本ビームのパワーの関数としてレーザ共振空胴のＱについて正帰還だけを表示するが、本発明による装置は非線形光学手段及び強度リミッタの組合せ使用によってこのＱについて正帰還と負帰還の両方を表示する。これは非線形光学手段が基本ビームの強度が増加するにつれて増加する反射係数を有し、一方強度リミッタが基本ビームの強度が増加するにつれて減少するレーザの基本周波数における透過係数を有するという事実による。
【００２２】
非線形光学手段と強度リミッタの組合せ使用は前記強度が強度リミッタの操作限界値を越えるときに基本ビームの強度が増加するにつれて基本周波数に対する第二調波におけるビームのパワー比がもはや増加しないことを意味する。
【００２３】
有利には、非線形光学手段は二色鏡に相当する前記第二鏡及びレーザ周波数を変換できる非線形結晶を含む。
【００２４】
非線形光学手段は前記第二鏡だけを含んでもよく、その第二鏡はそのとき誘電又は金属半導体膜の重ね合わせから構成されたファブリ・ペロー反共振飽和性吸収体に相当する。
【００２５】
非線形光学手段は二色鏡に相当する前記第二鏡、周波数変換非線形結晶及び少なくとも一つの偏光子を含んでもよい。
【００２６】
有利には、強度リミッターはＧａＡｓ，ＣｄＳｅ又はＩｎＰの如き半導体材料から作られたプレートからなる。
【００２７】
あるいは、強度リミッタは基本ビームを調波周波数におけるビームへ変換する非線形結晶からなる。
【００２８】
あるいは、強度リミッタは能動装置、即ちポッケルスセル又は音響光学変調器の如く、基本ビームの強度が増加するときに空胴におけるエネルギー損失の増加を誘発する電気制御装置からなる。
【００２９】
有利には、強度リミッターは利得媒質と非線形光学手段の間に配置される。
【００３０】
特に有利な方法では、強度リミッタ及び非線形光学手段は利得媒質のいずれかの側上に配置される。
【００３１】
また、本発明はレーザ、特にパルス型のレーザをモード同期するための方法において、能動レーザ媒質を刺激することによって基本周波数におけるレーザ放射線ビームを放出し、基本周波数におけるビームを調波周波数におけるビームに変換し、調波周波数におけるビームを共振空胴に戻し、調波周波数におけるビームを基本周波数におけるビームに再変換し、そして共振空胴内で基本周波数におけるビームの強度を制限することを含む。
【００３２】
発明の一具体例の詳細な記述
図１は本発明による装置の一具体例を実施例によって記載する。従来の方法では、第一に、第一鏡１及び第二鏡８によって画定される共振空胴２０、及び第二に、前記第二鏡８を含む非線形光学手段１０が製造される。第一鏡１は高い、好ましくは全、反射を有し、第二鏡８は二色鏡である。共振空胴２０の内側には従来の方法ではＮｄ：ＹＡＧ（ネオジミウムドープされたイットリウムアルミニウムガーネット），Ｙｂ：ＹＡＧ，Ｃｒ：ＹＡＧ，Ｎｄ：ＹＬＦ，Ｎｄ：ガラス，Ｔｉ：サファイア，Ｃｒ：苦土カンラン石、又はＹｂ：ガラス媒質であってもよい能動媒質５が配置されている。媒質は刺激下で基本周波数ω１でレーザ放射線を放出するように適応されている。かかる媒質の選択はレーザの所望の波長及び利得の所望のスペクトル幅によって決められる。
【００３３】
本発明の一具体例によれば、利得媒質は基本周波数ω１＝１０６４ｎｍにおいてレーザビームを刺激するための二つのフラッシュランプによってポンプされる１１５×７ｍｍの寸法を有するＮｄ：ＹＡＧ結晶５のバーである。
【００３４】
電気ポンプのエネルギーは−１７Ｊであり、一方反復周波数は２０Ｈｚである。
【００３５】
反射防止被覆を与えられ、それぞれ１００及び−４０ｍｍの焦点距離を特徴とする二つのレンズ６１及び６２は望遠鏡６を形成する。０．８ｍｍの絞り３はレーザの作用を一つの横モードだけに制限する。この具体例による能動モード同期のために意図される強度リミッタは高反射の鏡１の鏡の近くに位置されるＡＯＭＬ（音響光学モード同期器）構成要素２及びＧａＡｓプレート４を含む。空胴の全長は約１．５ｍであり、ＡＯＭＬの１００ＭＨｚ変調周波数に適応されている。
【００３６】
非線形光学手段１０は図１に表される具体例によれば、二色鏡８に加えて、タイプＩ相互作用によって第二調波（ω２＝５３２ｎｍ）におけるビームを発生するために、３ｍｍの長さを有するＢＢＯタイプの非線形結晶７を含む。非線形光学手段１０は５３２ｎｍにおいて９９％より大きい反射係数、１０６４ｎｍにおいて２５％に等しい反射係数を有する。ＬＢＯ（リチウムトリボレート）、ＫＤＰ（燐酸二水素カリウム）、ＫＴＰ（燐酸チタニルカリウム）、ＢＢＯ（ベータバリウムボレート）、ＰＰＬＮ（周期的に極在化した（poled）ニオブ酸リチウム）又はＫＮｂＯ３（ニオブ酸カリウム）の如き他の非線形結晶を使用してもよい。ＧａＡｓプレートはブルースター入射角に合わされる。二色鏡８の非線形結晶７を分離する距離の調整は基本ビームと第二調波におけるビームの間の位相シフトを再変換中制御することを可能にする。
【００３７】
この距離が正確に調整されるとき、空胴によって発生されるビームの強度の認識可能な増加が観察され、それはＹＡＧ発振器の効率的な受動モード同期を示す。
【００３８】
レーザ空胴の平均出力パワーはＡＯＭＬ構成要素２が空胴に使用されるとき−１７Ｊの電気ポンプエネルギーに対して−３０ｍＷである（パルス列エネルギー＝１．５ｍＪ）。
【００３９】
図２は６０ＭＨｚのオシロスコープバンド幅でＰＩＮフォトダイオードによって測定される２μｓ長パルス列エンベロープを表す。エンベロープの最初の部分（０−５００ｎｓ）はパルスエネルギーの迅速な変化を特徴とし、続く６００〜１８００ｎｓの平坦域は１０μＪ／パルスであると推定されるほとんど一定のパルスエネルギーを特徴とする。
【００４０】
以前の研究はこの装置が能動モード同期なしで作動できることを示したが、ＡＯＭＬ構成要素が空胴に使用されるときＹＡＧ発振器のさらに一層安定した作動が観察される。
【００４１】
図３は列エンベロープの平坦域の中心におけるパルス幅の測定を示す。この測定は列エンベロープの安定平坦域の中心と自己相関信号積算器の５０ｎｓ窓を同期することによるノイズフリー標準二次自己相関によって行われる。
【００４２】
ガウス分布を想定すると、１２ｐｓ  ＦＷＭＨのパルス幅は基本パルスに対して導かれる。空胴内のピーク強度は５５ＭＷ／ｃｍ２のオーダの値に達し、それはＧａＡｓ半導体における二光子吸収の開始に従う。
【００４３】
結果として、二色鏡に結合された周波数重複非線形結晶（ＢＢＯ）からなる、正帰還構成要素（本ケースでは非線形光学手段である）と強度リミッタからなる受動負帰還構成要素（本ケースではＧａＡｓプレートである）を組合せることによって、フラッシュランプでポンプされたパルスＮｄ：ＹＡＧレーザを使用して１２ｐｓ又はそれより小さく減少されたパルス幅を得ることができる。
【００４４】
光パルスによって行われるあちらこちらに動く循環の数の増加及び強度リミッタによって誘発されるそれらのエネルギー安定性は短いパルスを得るための二つの重要なファクターである。これらのパルスの幅はＮｄ：ＹＡＧ利得媒質の利得スペクトルのフーリエ変換によって設定される１０ｐｓ以下の下限に極めて近い。
【００４５】
本明細書に記載された装置を備えたパルスレーザは光パラメトリック発振器の同期ポンピングのために理想的な特性を有する。
【００４６】
さらに、ポッケルスセル、偏光子及びリターデーションプレートの如き、偏光(polarization)選択及び修正のための受動及び能動構成要素の空胴内又は外の介在は強力な単一パルスを選択することを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の原理に従うＮｄ：ＹＡＧ発振器を得るための装置の一つの特別な具体例を記載する。
【図２】  図１に記載されたＮｄ：ＹＡＧ発振器に対して得られるパルス列エンベロープを表す。
【図３】  標準ノイズフリー二次自己相関によって実施されるパルス幅の測定を表す。
【図１】
0004509397.tif 000002
【図２】
0004509397.tif 000003
【図３】
0004509397.tif 000004