(57)【要約】【課題】中心波長が互いに異なる第１のレーザビームと第２のレーザビームとを良好に出力し得るモードロックレーザ装置を提供する。【解決手段】第１のミラーとアウトプットカプラとの間で往復する第１のレーザビームの光路上、及び、第２のミラーとアウトプットカプラとの間で往復する第２のレーザビームの光路上に位置し、第１のレーザビーム及び第２のレーザビームのビームウエストが内部に位置する利得媒体と、励起光源と、光路分岐機構と、第１のレーザビームの焦点深度内の領域と第２のレーザビームの焦点深度内の領域とが互いに離間するように、第１のレーザビームのビームウエストと第２のレーザビームのビームウエストのうちの少なくとも一方の位置を調整するビームウエスト調整機構とを有している。【選択図】図１
2016012682.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のミラーと、
第２のミラーと、
アウトプットカプラと、
前記第１のミラーと前記アウトプットカプラとの間で往復する第１のレーザビームの光路上に位置するとともに、前記第２のミラーと前記アウトプットカプラとの間で往復する、前記第１のレーザビームの中心波長と異なる中心波長の第２のレーザビームの光路上に位置する利得媒体であって、前記第１のレーザビームのビームウエストと前記第２のレーザビームのビームウエストとが内部に位置する、利得媒体と、
前記利得媒体を励起するための励起光源と、
前記第１のレーザビームの前記光路上及び前記第２のレーザビームの前記光路上に配され、前記第１のレーザビームの前記光路と前記第２のレーザビームの前記光路とを分岐する光路分岐機構であって、前記アウトプットカプラと前記光路分岐機構との間においては、前記第１のレーザビームの前記光路と前記第２のレーザビームの前記光路とは一致しており、前記光路分岐機構と前記第１のミラーとの間における前記第１のレーザビームの前記光路と前記光路分岐機構と前記第２のミラーとの間における前記第２のレーザビームの前記光路とは互いに異なっている、光路分岐機構と、
前記第１のレーザビームの焦点深度内の領域と前記第２のレーザビームの焦点深度内の領域とが互いに離間するように、前記第１のレーザビームの前記ビームウエストと前記第２のレーザビームの前記ビームウエストのうちの少なくとも一方の位置を調整するビームウエスト調整機構と
を有することを特徴とするモードロックレーザ装置。
【請求項２】
前記ビームウエスト調整機構は、凹面ミラー、凸面ミラー、凹面レンズ、凸面レンズ、又は、これらの組み合わせであり、
前記ビームウエスト調整機構は、前記光路分岐機構と前記第１のミラーとの間、及び、前記光路分岐機構と前記第２のミラーとの間のうちの少なくともいずれかに配されてい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】
前記第１のミラー及び前記第２のミラーのうちの少なくともいずれかは、凹面ミラー又は凸面ミラーであり、
前記凹面ミラー又は前記凸面ミラーは、前記ビームウエスト調整機構を兼ね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】
前記光路分岐機構は、プリズム又は回折格子を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のモードロックレーザ装置。
【請求項５】
前記光路分岐機構は、プリズム対又は回折格子対を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のモードロックレーザ装置。
【請求項６】
前記光路分岐機構は、プリズムミラーを更に含むことを特徴とする請求項４又は５記載のモードロックレーザ装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載のモードロックレーザ装置を含み、前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームとをパルス状に出射する光源部と、
前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームを集光して被検体に照射する集光光学系と、
前記被検体を通過した前記第１のレーザビームを検出する検出部と
を有することを特徴とする計測装置。
【請求項８】
前記計測装置は、前記被検体で生じる誘導ラマン散乱を前記検出部により検出する誘導ラマン散乱顕微鏡であることを特徴とする請求項７記載の計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モードロックレーザ装置及び計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘導ラマン散乱、２光子吸収による蛍光、アンチストークスラマン散乱などの非線形光学効果を利用して物質を同定あるいは観察する非線形光学計測装置は、医療や工業等において有用であることから、大きな注目を集めている。
【０００３】
非線形光学効果は、照射光のピークパワーが高いほど強く現れるため、非線形光学計測装置に用いられる光源には、高いピークパワーをもつパルスビームの出力が求められる。
【０００４】
ピークパワーの高いパルスビームを出力し得る光源の１つとして、モードロック固体レーザ装置（モードロックレーザ装置）が知られている。モードロックレーザ装置は、レーザビームを共振させる共振器と、レーザビームに光エネルギーを与える利得媒体と、利得媒体を励起する励起光源とを備えている。利得媒体は共振器の内部に配置されており、励起光源から出力される励起光により励起される。励起された利得媒体は、誘導放出過程を介して、共振器内で共振するレーザビームに光エネルギーを与える。
【０００５】
モードロックレーザ装置は、レーザビームの共振を周期的にオン／オフする変調機（モードロッカー）を備えている。一般に、モードロッカーの変調周期は、レーザビームが共振器を往復する時間（ラウンドトリップ時間）の逆数と一致するように調整されている。モードロッカーの変調周期がラウンドトリップ時間の逆数と一致するとき、発振するレーザビームが、パルス列（ｐｕｌｓｅ  ｔｒａｉｎ）として共振器から出力される。かかるレーザビームのパルス幅は、例えば１ナノ秒以下である。共振器から出力されるパルス列の繰り返し周期は、モードロッカーの変調周期、すなわちラウンドトリップ時間の逆数と等しくなる。このようなパルス列の発生機構は、モードロックと称される。
【０００６】
モードロックレーザ装置は、共振器内におけるレーザビームの光路長を適宜設定することにより、パルス幅や繰り返し周期を適宜設定し得る。レーザビームのパルス幅は、例えば数ｆｓ〜１ｎｓの範囲内で適宜設定し得る。また、レーザビームの繰り返し周期は、例えば１ＭＨｚ〜１ＧＨｚの範囲内で適宜設定し得る。このようにして生成されるレーザビームは、例えば１ｋＷ以上のピークパワーを有する。よって、モードロックレーザ装置は、非線形光学計測装置の光源として適している。
【０００７】
また、近時では、中心波長が互いに異なる２種類のパルスレーザビームを出力し得るモードロックレーザ装置も提案されている（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】M. R. X. de Barros and P. C. Becker, ”Two-color synchronously mode-locked femtosecond Ti：sapphire laser”, Optics Letters, Vol.18, Issue 8, pp. 631-633 (1993).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、中心波長が互いに異なる２種類のパルスレーザビームを出力するモードロックレーザ装置では、必ずしも良好な出力が得られない場合があった。
【００１０】
本発明の目的は、中心波長が互いに異なる良好な第１のレーザビーム及び第２のレーザビームを出力し得るモードロックレーザ装置、及び、そのモードロックレーザ装置を用いた計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一観点によれば、第１のミラーと、第２のミラーと、アウトプットカプラと、前記第１のミラーと前記アウトプットカプラとの間で往復する第１のレーザビームの光路上に位置するとともに、前記第２のミラーと前記アウトプットカプラとの間で往復する、前記第１のレーザビームの中心波長と異なる中心波長の第２のレーザビームの光路上に位置する利得媒体であって、前記第１のレーザビームのビームウエストと前記第２のレーザビームのビームウエストとが内部に位置する、利得媒体と、前記利得媒体を励起するための励起光源と、前記第１のレーザビームの前記光路上及び前記第２のレーザビームの前記光路上に配され、前記第１のレーザビームの前記光路と前記第２のレーザビームの前記光路とを分岐する光路分岐機構であって、前記アウトプットカプラと前記光路分岐機構との間においては、前記第１のレーザビームの前記光路と前記第２のレーザビームの前記光路とは一致しており、前記光路分岐機構と前記第１のミラーとの間における前記第１のレーザビームの前記光路と前記光路分岐機構と前記第２のミラーとの間における前記第２のレーザビームの前記光路とは互いに異なっている、光路分岐機構と、前記第１のレーザビームの焦点深度内の領域と前記第２のレーザビームの焦点深度内の領域とが互いに離間するように、前記第１のレーザビームの前記ビームウエストと前記第２のレーザビームの前記ビームウエストのうちの少なくとも一方の位置を調整するビームウエスト調整機構とを有することを特徴とするモードロックレーザ装置が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、第１のレーザビームの焦点深度内の領域と第２のレーザビームの焦点深度内の領域とが互いに離間している。利得媒体内の同一箇所において第１のレーザビームと第２のレーザビームとにエネルギーが分割されるわけではないため、高出力の第１のレーザビーム及び第２のレーザビームを得ることができる。また、利得媒体４内の同一箇所でエネルギーの奪い合いが生じるわけではないため、第１のレーザビームの励起閾値と第２のレーザビームの励起閾値とが異なる場合であっても、安定した出力の第１のレーザビーム及び第２のレーザビームが得られる。このように、本発明によれば、中心波長が互いに異なる第１のレーザビーム及び第２のレーザビームを良好に出力し得るモードロックレーザ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１（ａ）は、第１実施形態によるモードロックレーザ装置の構成を示す概略図であり、図１（ｂ）は、利得媒体の内部における第１のレーザビームのビーム形状及び第２のレーザビームのビーム形状を概念的に示す図である。
【図２】図２は、ビームウエスト調整機構の例を示す図である。
【図３】図３（ａ）は、第２実施形態によるモードロックレーザ装置の構成を示す図であり、図３（ｂ）は、利得媒体の内部における第１のレーザビームと第２のレーザビームのビーム径Ｄのシミュレーション値を表すグラフである。
【図４】図４は、第３実施形態によるモードロックレーザ装置の構成を示す図である。
【図５】図５は、第４実施形態によるモードロックレーザ装置の構成を示す図である。
【図６】図６（ａ）は、第５実施形態によるモードロックレーザ装置の構成を示す図であり、図６（ｂ）は、利得媒体の内部における第１のレーザビームと第２のレーザビームのビーム径Ｄのシミュレーション値を示すグラフである。
【図７】図７は、第６実施形態によるモードロックレーザ装置の構成を示す図である。
【図８】図８は、第７実施形態による計測装置の構成を示す図である。
【図９】図９は、回折格子を示す断面図である。
【図１０】図１０（ａ）は、参考例によるモードロックレーザ装置の構成を示す概略図であり、図１０（ｂ）は、チタンサファイア結晶の内部におけるレーザビームのビーム形状を概念的に示す図であり、図１０（ｃ）は、レーザビームの断面強度分布を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
非線形光学計測装置における計測精度を向上させるためには、異なる中心波長を持つ２種類の超短パルスレーザビームを使用することが好ましい。例えば誘導ラマン散乱では、中心波長がλｐのパルスレーザビームであるポンプ光と、中心波長がλｓのパルスレーザビームであるストークス光とを使用することができる。ポンプ光パルスとストークス光パルスとを同時刻に被検体に照射すると、被検体において生じた非線形光学効果により、ポンプ光パルスのエネルギーの一部が、ストークス光パルスへと変換される。変換後におけるポンプ光パルスのエネルギーを測定することにより、被検体において生じた非線形光学効果の大きさを測定することができる。非線形光学計測装置の小型化を実現するためには、波長の異なる２種類のパルス列が１つの光源より出力されることが望ましい。
【００１５】
図１０（ａ）は、参考例によるモードロックレーザ装置の構成を示す概略図である。
【００１６】
参考例によるモードロックレーザ装置は、共振器を構成するミラー９１及び凹面ミラー９２と、レーザビーム９５の光エネルギーの一部を出力として取り出すアウトプットカプラ９３とを備えている。また、参考例によるモードロックレーザ装置は、チタンサファイア結晶より成り、レーザビーム９５に光エネルギーを与える利得媒体９４と、利得媒体９４を励起するための励起光源９６と、モードロッカーとしての可飽和吸収体９７とを備えている。また、参考例によるモードロックレーザ装置は、レーザビームの中心波長を選択するプリズム対９８とダブルスリット９９とを備えている。
【００１７】
参考例によるモードロックレーザ装置では、プリズム対９８を通過したレーザビーム９５は、中心波長がλＡのレーザビーム９５ａと中心波長がλＢのレーザビーム９５ｂとに分離される。ダブルスリット９９は、レーザビーム９５ａの光路上及びレーザビーム９５ｂの光路上に挿入されている。ダブルスリット９９は、２つの開口部、即ち、開口部Ａと開口部Ｂとを有している。レーザビーム９５はプリズム対９８によってレーザビーム９５ａとレーザビーム９５ｂとに分離され、レーザビーム９５ａは開口部Ａを通過し、レーザビーム９５ｂは開口部Ｂを通過する。レーザビーム９５は、ミラー９１と部分反射ミラー９３との間で共振し、発振する。レーザビーム９５ａとレーザビーム９５ｂのラウンドトリップ時間は、共振器の長さが等しいことから、ほぼ等しい。よって、レーザビーム９５ａとレーザビーム９５ｂとは、繰り返し周波数が等しいパルス列となる。レーザビーム９５ａの光軸とレーザビーム９５ｂの光軸とは、プリズム対９８と部分反射ミラー９３との間で一致している。その結果、参考例によるモードロックレーザ装置は、異なる中心波長λＡ、λＢのレーザビームＡ、Ｂを、光軸の一致したパルス列としてアウトプットカプラ９３より出力することができる。
【００１８】
しかしながら、参考例によるモードロックレーザ装置では、出力されるパルス列のエネルギーが低くなってしまう。以下、この点について説明をする。
【００１９】
図１０（ｂ）は、利得媒体９４の内部におけるレーザビーム９５ａ、９５ｂのビーム形状を概念的に示す図である。図１０（ｂ）の紙面左右方向がレーザビーム９５ａ、９５ｂの進行方向に対応している。図１０（ｂ）における実線は、レーザビーム９５ａの輪郭形状１００ａを示している。図１０（ｂ）における破線は、レーザビーム９５ｂの輪郭形状１００ｂを示している。
【００２０】
図１０（ｃ）は、レーザビームの断面強度分布、即ち、単位面積当たりのレーザビーム９５の強度分布を示すグラフである。図１０（ｃ）における位置ｄ０は、レーザビーム９５の中心を表している。また、図１０（ｃ）における位置ｄ１と位置ｄ２は、レーザビーム９５の中心における強度に対して、強度が１／ｅ２に減少する位置を示している。位置ｄ１、ｄ２をレーザビーム９５の進行方向に沿ってつないだものが、レーザビーム９５の側面形状に相当する。また、位置ｄ１と位置ｄ２との間の距離Ｄが、レーザビーム９５のビーム半径に相当する。
【００２１】
図１０（ｂ）から分かるように、レーザビーム９５ａとレーザビーム９５ｂとは、利得媒体９４の内部において、ビーム半径が極小となるビームウエスト１００を形成する。
【００２２】
また、図１０（ｂ）から分かるように、レーザビーム９５ａのビームウエストの位置ＷＡと、レーザビーム９５ｂのビームウエストの位置ＷＢとは、ほぼ一致している。
【００２３】
利得媒体９４で吸収される励起光のエネルギー（励起エネルギー）は、誘導放出過程を介して光エネルギーとなり、レーザビーム９５ａおよびレーザビーム９５ｂに与えられる。誘導放出過程の強さはレーザビーム９５ａ、９５ｂの断面強度に比例するため、レーザビーム９５ａ、９５ｂのビームウエスト近傍で吸収された励起エネルギーが、実質的にレーザビーム９５ａ、９５ｂの光エネルギーとなる。すなわち、レーザビーム９５ａとレーザビーム９５ｂとのビームウエストが重なっているため、同じ位置で吸収された励起エネルギーが、光エネルギーとしてレーザビーム９５ａとレーザビーム９５ｂとに分割される。その結果、参考例によるモードロックレーザ装置は、１種類の中心波長のレーザビームを出射するモードロックレーザ装置と比較して、出力されるパルス列のエネルギーがほぼ半減してしまう。
【００２４】
また、参考例によるモードロックレーザ装置では、レーザビーム９５ａ、９５ｂのビームウエストの位置が一致するため、励起エネルギーの奪い合いがレーザビーム９５ａ、９５ｂ間で生じる。一方のレーザビームの励起閾値が他方のレーザビームの励起閾値よりも低い場合には、励起閾値の低いレーザビームのエネルギーが高くなり易い。レーザビームの励起閾値は、光学部品特性の波長依存性等の影響を受ける。光学部品特性の波長依存性は、環境温度等によっても変化することから、結果的に、中心波長が互いに異なる２種類のレーザビーム９５ａ、９５ｂの出力は不安定となる。
【００２５】
このように、参考例によるモードロックレーザ装置では、中心波長が互いに異なる２種類のレーザビームを必ずしも良好に出力し得なかった。
【００２６】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態によるモードロックレーザ装置について図面を用いて説明する。
【００２７】
図１（ａ）は、本実施形態によるモードロックレーザ装置の構成を示す概略図である。
【００２８】
本実施形態によるモードロックレーザ装置は、中心波長が互いに異なる２種類の波長のパルスレーザビームを所定の繰り返し周期で出射する固体レーザ装置、即ち、２波長発振モーロドック固体レーザ装置である。ここでいう中心波長とは、パルス光の半値幅の中心における波長を指す。
【００２９】
本実施形態によるモードロックレーザ装置は、ミラー２１、２２と、凹面ミラー２３、２４と、アウトプットカプラ２５と、光路分岐機構１１１と、ビームウエスト調整機構１２とを有しており、これらが相俟って共振器（光共振器）３を構成している。
【００３０】
部分透過ミラーより成るアウトプットカプラ２５と高反射平面ミラーであるミラー２１との間で第１のレーザビーム１が往復するようになっている。ミラー２１は、第１のレーザビーム１の光路の一端に位置している。また、部分透過ミラーより成るアウトプットカプラ２５と高反射平面ミラーであるミラー２２との間で第２のレーザビーム２が往復するようになっている。ミラー２２は、第２のレーザビーム２の光路の一端に位置している。第１のレーザビーム１の中心波長λ１と第２のレーザビーム２の中心波長λ２とは互いに異なっている。第１のレーザビーム１の中心波長λ１は、例えば７５０ｎｍ程度とする。第２のレーザビーム２の中心波長λ２は、例えば８５０ｎｍ程度とする。アウトプットカプラ２５は、第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２を反射する機能を有するとともに、第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２の一部を出力として取り出す機能をも有する。本発明において、部分透過ミラーとは、発振波長において７０％以上９９％未満の反射率を有するミラーをいい、高反射ミラーとは発振波長において９９％以上の反射率を有するミラーをいう。
【００３１】
共振器３内を往復する第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２は、後述する利得媒体４を通過する際に、利得媒体４において生ずるレンズ効果（カーレンズ効果）によって変調される。かかるカーレンズ効果により、第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２のラウンドトリップ時間の逆数と等しい周期で、第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２がオン／オフする。この結果、第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２にモードロックがかかり、ラウンドトリップ時間の逆数と等しい繰り返し周波数で第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２がアウトプットカプラ２５を介してパルス状に繰り返し出射される。繰り返し出力される第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２の出力は、パルス列とも称される。
【００３２】
光路分岐機構１１１は、第１のレーザビーム１の光路と第２のレーザビーム２の光路とを分岐するものである。光路分岐機構１１１は、第１のレーザビーム１の光路上及び第２のレーザビーム２の光路上に配されている。光路分岐機構１１１とアウトプットカプラ２５との間においては、第１のレーザビーム１の光路（光軸）と第２のレーザビーム２の光路（光軸）とは一致している。一方、光路分岐機構１１１とミラー２１との間における第１のレーザビーム１の光路（光軸）と、光路分岐機構１１１とミラー２２との間における第２のレーザビーム２の光路（光軸）とは、互いに異なっている。
【００３３】
アウトプットカプラ２５から凹面ミラー２３に達する第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２が、凹面ミラー２３により反射され、更に凹面ミラー２４により反射されて、光路分岐機構１１１に達するように、凹面ミラー２３、２４が配されている。
【００３４】
本実施形態によるモードロックレーザ装置は、第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２に光エネルギーを与え、第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２を増幅する利得媒体４を更に有している。利得媒体４は、第１のレーザビーム１の光路上及び第２のレーザビーム２の光路上に位置している。より具体的には、利得媒体４は、凹面ミラー２３と凹面ミラー２４との間における第１のレーザビーム１の光路上及び第２のレーザビーム２の光路上に配されている。アウトプットカプラ２５から凹面ミラー２３に達する第１のレーザビーム及び第２のレーザビームが、凹面ミラー２３により反射され、利得媒体４を経て、凹面ミラー２４により更に反射されて、光路分岐機構１１１に達するように、利得媒体４が配されている。第１のレーザビーム１のビームウエストと第２のレーザビーム２のビームウエストは、利得媒体４の内部に位置する。
【００３５】
本実施形態によるモードロックレーザ装置は、利得媒体４を励起するための励起光源６を更に有している。励起光源６から出射される励起光が利得媒体４に入射されるようになっている。
【００３６】
本実施形態によるモードロックレーザ装置は、ビームウエスト調整機構１２を更に有している。ビームウエスト調整機構１２は、第１のレーザビーム１のビームウエストと第２のレーザビーム２のビームウエストのうちの少なくとも一方の位置を調整するものである。ビームウエスト調整機構１２は、例えば、光路分岐機構１１１により分岐された第１のレーザビーム１の光路上に配されている。
【００３７】
なお、ここでは、光路分岐機構１１１により分岐された第１のレーザビーム１の光路上にビームウエスト調整機構１２を配する場合を例に説明するが、これに限定されるものではない。例えば、光路分岐機構１１１により分岐された第２のレーザビーム２の光路上にビームウエスト調整機構１２を配するようにしてもよい。
【００３８】
第１のレーザビーム１の光路長と第２のレーザビーム２の光路長とが互いに等しい場合には、第１のレーザビーム１のビームウエストの位置Ｗ１と第２のレーザビーム２のビームウエストの位置Ｗ２とは、以下のような場合にずれる。即ち、第１のレーザビーム１のビームウエストの位置Ｗ１と第２のレーザビーム２のビームウエストの位置Ｗ２とは、利得媒体４に入射する際における第１のレーザビーム１の波面の曲率と第２のレーザビーム２の波面の曲率とが互いに異なっている場合にずれる。従って、ビームウエスト調整機構１２は、第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２のうちの少なくとも一方の波面の曲率を変化させ得る機構であればよい。
【００３９】
図２は、ビームウエスト調整機構の例を示す図である。
【００４０】
図２（ａ）は、ビームウエスト調整機構１２が凹面ミラー１２ａにより構成されている場合を示す図である。
【００４１】
符号１１５ａは、第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２が凹面ミラー１２ａに入射する前の段階における波面の形状を概念的に示している。符号１１５ｂは、第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２が凹面ミラー１２ａにより反射された後の段階における波面の形状を概念的に示している。
【００４２】
このように、凹面ミラー１２ａによりビームウエスト調整機構１２を構成するようにしてもよい。
【００４３】
図２（ｂ）は、ビームウエスト調整機構１２が凸面ミラー１２ｂにより構成されている場合を示す図である。
【００４４】
符号１１６ａは、第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２が凸面ミラー１２ｂに入射する前の段階における波面の形状を概念的に示している。符号１１６ｂは、第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２が凸面ミラー１２ｂにより反射された後の段階における波面の形状を概念的に示している。
【００４５】
このように、凸面ミラー１２ｂによりビームウエスト調整機構１２を構成するようにしてもよい。
【００４６】
図２（ｃ）は、ビームウエスト調整機構１２が凹面レンズ１２ｃにより構成されている場合を示す図である。
【００４７】
符号１１７ａは、第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２が凹面レンズ１２ｃに入射する前の段階における波面の形状を概念的に示している。符号１１７ｂは、第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２が凹面ミラー１２ｃを通過した後の段階における波面の形状を概念的に示している。
【００４８】
このように、凹面レンズ１２ｃによりビームウエスト調整機構１２を構成するようにしてもよい。
【００４９】
図２（ｄ）は、ビームウエスト調整機構１２が凸面レンズ１２ｄにより構成されている場合を示す図である。
【００５０】
符号１１８ａは、第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２が凸面レンズ１２ｄに入射する前の段階における波面の形状を概念的に示している。符号１１８ｂは、第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２が凸面ミラー１２ｄを通過した後の段階における波面の形状を概念的に示している。
【００５１】
このように、凸面ミラー１２ｄによりビームウエスト調整機構１２を構成するようにしてもよい。
【００５２】
図１（ｂ）は、利得媒体４の内部における第１のレーザビーム１のビーム形状及び第２のレーザビーム２のビーム形状を概念的に示す図である。図１（ｂ）の紙面左右方向が第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２の進行方向に対応している。図１（ｂ）における符号１１３は、第１のレーザビーム１の輪郭形状を示している。図１（ｂ）における符号１１４は、第２のレーザビーム２の輪郭形状を示している。
【００５３】
図１（ｂ）における符号ｚ１は、第１のレーザビーム１の焦点深度を示している。図１（ｂ）における符号ｚ２は、第２のレーザビーム２の焦点深度を示している。図１（ｂ）における符号Ｓ１は、第１のレーザビーム１の焦点深度ｚ１内の領域、即ち、第１のレーザビーム１のレイリー領域を示している。図１（ｂ）における符号Ｓ２は、第２のレーザビーム２の焦点深度ｚ２内の領域、即ち、第２のレーザビーム２のレイリー領域を示している。図１（ｂ）における符号Ｗ１は、第１のレーザビーム１のビームウエストの位置を示している。図１（ｂ）における符号Ｗ２は、第２のレーザビーム２のビームウエストの位置を示している。図１（ｂ）における符号Ｄ１は、第１のレーザビーム１のビームウエストにおけるビーム径を示している。図１（ｂ）における符号Ｄ２は、第２のレーザビーム１のビームウエストにおけるビーム径を示している。
【００５４】
第１のレーザビーム１のビームウエストの位置ｗ１、及び、第２のレーザビーム２のビームウエストの位置ｗ２は、利得媒体４の内部に位置する。
【００５５】
第１のレーザビーム１の焦点深度ｚ１は、ビームウエストのビーム径Ｄ１に対してビーム径Ｄが√２倍となる、光軸方向における２点間の距離である。即ち、第１のレーザビーム１の焦点深度ｚ１は、ビームウエストのビーム径Ｄ１に対してビーム径Ｄが√２倍となっている箇所から、ビームウエストを経由し、更に、ビームウエストのビーム径Ｄ１に対してビーム径Ｄが√２倍となる箇所までの距離である。換言すれば、第１のレーザビーム１の焦点深度ｚ１は、ビーム断面積（＝πＤ２／４）がビームウエストにおけるビーム断面積の２倍となる、光軸方向における２点間の距離である。なお、焦点深度は、レイリー長さ（レイリー領域、レイリー距離）とも称される。
【００５６】
第２のレーザビーム２の焦点深度ｚ２は、ビームウエストのビーム径Ｄ２に対してビーム径Ｄが√２倍となる、光軸方向における２点間の距離である。即ち、第２のレーザビーム２の焦点深度ｚ２は、ビームウエストのビーム径Ｄ２に対してビーム径Ｄが√２倍となっている箇所から、ビームウエストを経由し、更に、ビームウエストのビーム径Ｄ２に対してビーム径Ｄが√２倍となる箇所までの距離である。換言すれば、第２のレーザビーム２の焦点深度ｚ２は、ビーム断面積がビームウエストにおけるビーム断面積の２倍となる、光軸方向における２点間の距離である。
【００５７】
第１のレーザビーム１の断面強度分布がガウシアン分布で近似できる場合、第１のレーザビーム１の焦点深度ｚ１は、第１のレーザビーム１のビーム径をＤ１、第１のレーザビーム１の中心波長をλ１とすると、以下のような式（１）により表される。
ｚ１＝２π（Ｄ１／２）２／λ１  ・・・（１）
【００５８】
また、第２のレーザビーム２の断面強度分布もガウシアン分布で近似できる場合、第２のレーザビーム２の焦点深度ｚ２は、第２のレーザビーム２のビーム径をＤ２、第２のレーザビーム２の中心波長をλ２とすると、以下のような式（２）により表される。
ｚ２＝２π（Ｄ２／２）２／λ２  ・・・（２）
【００５９】
第１のレーザビーム１の誘導放出過程の強さは、利得媒体４を通過する第１のレーザビーム１のビーム断面積に反比例する。また、第２のレーザビーム２の誘導放出過程の強さは、利得媒体４を通過する第２のレーザビーム２のビーム断面積に反比例する。第１のレーザビーム１のビーム断面積は、第１のレーザビーム１の焦点深度ｚ１内の領域Ｓ１において十分に小さくなる。第２のレーザビーム２のビーム断面積は、第２のレーザビーム２の焦点深度ｚ２内の領域Ｓ２において十分に小さくなる。このため、第１のレーザビーム１の増幅は、第１のレーザビーム１の焦点深度内の領域Ｓ１において主として行われる。また、第２のレーザビーム２の増幅は、第２のレーザビーム２の焦点深度内の領域Ｓ２において主として行われる。
【００６０】
本実施形態では、第１のレーザビーム１のビームウエストの位置Ｗ１と第２のレーザビーム２のビームウエストの位置Ｗ２との間の距離は、第１のレーザビームの焦点深度ｚ１の１／２と第２のレーザビームの焦点深度ｚ２の１／２との和より大きくなっている。このため、第１のレーザビーム１の焦点深度ｚ１内の領域Ｓ１と第２のレーザビーム２の焦点深度ｚ２内の領域Ｓ２とは、互いに離間しており、オーバーラップしていない。このため、第１のレーザビーム１と第２のレーザビーム２とは、利得媒体４の異なる箇所から光エネルギーを得て増幅される。利得媒体４内の同じ箇所からの光エネルギーが第１のレーザビーム１と第２のレーザビーム２とに分割されるわけではないため、本実施形態によれば、第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２の出力を大きくすることができる。
【００６１】
また、本実施形態では、第１のレーザビーム１の焦点深度ｚ１内の領域Ｓ１と第２のレーザビーム２の焦点深度ｚ２内の領域Ｓ２とが、互いに離間している。このため、本実施形態によれば、第１のレーザビーム１と第２のレーザビーム２とによるエネルギーの奪い合いが生じるのを抑制することができる。このため、本実施形態によれば、第１のレーザビーム１の励起閾値と第２のレーザビーム２の励起閾値とが互いに異なる場合であっても、安定した第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２を出力することができる。
【００６２】
本実施形態によるモードロックレーザ装置は、例えば数ｆｓ〜１ｎｓ程度のパルス幅の第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２を、例えば１ＭＨｚ〜１ＧＨｚ程度の繰り返し周期でパルス状に出力し得る。第１のレーザビーム１や第２のレーザビーム２のパルス幅や繰り返し周期は、第１のレーザビーム１や第２のレーザビーム２の光路長を適宜設定することにより、所望の値に設定し得る。このようにして生成される第１のレーザビーム１や第２のレーザビーム２は、例えば１ｋＷ以上のピークパワーを有する。従って、本実施形態によるモードロックレーザ装置は、非線形光学計測装置の光源として非常に有用である。
【００６３】
このように、本実施形態では、第１のレーザビーム１の焦点深度ｚ１内の領域Ｓ１と第２のレーザビーム２の焦点深度ｚ２内の領域Ｓ２とが互いに離間している。利得媒体４内の同一箇所において第１のレーザビーム１と第２のレーザビーム２にエネルギーが分割されるわけではないため、高出力の第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２を得ることができる。また、利得媒体４内の同一箇所でエネルギーの奪い合いが生じるわけではないため、第１のレーザビーム１の励起閾値と第２のレーザビーム２の励起閾値とが異なる場合であっても、安定した出力の第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２が得られる。このように、本実施形態によれば、中心波長が互いに異なる第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２を良好に出力し得るモードロックレーザ装置を提供することができる。
【００６４】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態によるモードロックレーザ装置について図３を用いて説明する。図３（ａ）は、本実施形態によるモードロックレーザ装置の構成を示す図である。図１及び図２に示す第１実施形態によるモードロックレーザ装置と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
【００６５】
本実施形態は、第１実施形態において上述したモードロックレーザ装置のより具体的な態様を示している。
【００６６】
本実施形態では、ミラー２１，２２として、例えば高反射平面ミラーが用いられている。
【００６７】
また、本実施形態では、凹面ミラー２３、２４として、反射面の曲率が例えば５ｃｍ程度の凹面ミラーが用いられている。凹面ミラー２３と凹面ミラー２４との離間距離は、例えば５．５ｃｍ程度とする。
【００６８】
また、本実施形態では、励起光源６として、ＹＡＧレーザの２倍波が用いられている。
【００６９】
また、本実施形態では、利得媒体４として、チタンサファイア結晶が用いられている。チタンサファイア結晶より成る利得媒体４は、カーレンズ効果を奏し、モードロッカーとして機能し得る。利得媒体４の厚さは、例えば５ｍｍ程度とする。利得媒体４への第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２の入射角がブリュースター角となるように設定されている。ブリュースター角は、例えば６０°程度である。
【００７０】
本実施形態では、波長分割のための複数のプリズム（プリズム対）１１ａ、１１ｂと、プリズムミラー（全反射プリズム）１３とにより、光路分岐機構１１１が構成されている。利得媒体４内を通過し、凹面ミラー２４により反射される第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２は、プリズム１１ａを通過し、更に、他のプリズム１１ｂを通過するようになっている。
【００７１】
第１のレーザビーム１と第２のレーザビーム２とは、中心波長が互いに異なっている。本実施形態の説明中に記載した具体的な数値は、第１のレーザビーム１の中心波長を７５０ｎｍ程度、第２のレーザビーム２の中心波長を８５０ｎｍ程度とした場合の設計例であり、第３実施形態以降も同様である。プリズム１１ａ、１１ｂ内における屈折率は、光の波長によって異なるため、プリズム対１１ａ、１１ｂを通過した第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２の方向は互いに異なった方向となる。このため、第１のレーザビーム１の光路と第２のレーザビーム２の光路とは、プリズム対１１ａ、１１ｂによってまず分岐されることとなる。そして、第１のレーザビーム１の光路と第２のレーザビーム２の光路は、プリズムミラー１３による反射によって更に分岐される。第１のレーザビーム１と第２のレーザビーム２とは、例えば、互いに反対の方向に進行するようにプリズムミラー１３によって反射される。
【００７２】
本実施形態では、凹面ミラー１２ａによりビームウエスト調整機構が構成されている。凹面ミラー１２ａは、プリズムミラー１３とミラー２１との間における第１のレーザビーム１の光路上に配されている。凹面ミラー１２ａの反射面の曲率は、例えば１３ｃｍ程度とする。プリズムミラー１３から凹面ミラー１２ａに達する第１のレーザビーム１が、凹面ミラー１２ａにより反射されて、ミラー２１に達するように、凹面ミラー１２ａが配されている。
【００７３】
アウトプットカプラ２５と凹面ミラー２３との間の距離は、例えば５０ｃｍ程度とする。凹面ミラー２４とミラー２１との間の光路の長さは、例えば６０ｃｍ程度とする。凹面ミラー２４とミラー２２との間の光路の長さは、例えば６０ｃｍ程度とする。凹面ミラー１２ａとミラー２１との間の距離は、例えば１０ｃｍ程度とする。
【００７４】
共振器３内における第１のレーザビーム１の光路長と共振器３内における第２のレーザビーム２の光路長とが互いに等しいため、第１のレーザビーム１と第２のレーザビーム２とは同じ繰り返し周期でパルス状に出射される。
【００７５】
図３（ｂ）は、利得媒体４の内部における第１のレーザビーム１と第２のレーザビーム２のビーム径Ｄのシミュレーション値を表すグラフである。図３（ｂ）における横軸は、位置を示しており、縦軸は、ビーム径Ｄを示している。
【００７６】
図３（ｂ）から分かるように、第１のレーザビーム１の焦点深度ｚ１は、約０．４ｍｍである。また、図３（ｂ）から分かるように、第２のレーザビーム２の焦点深度ｚ２は、約１．２ｍｍである。従って、第１のレーザビーム１の焦点深度ｚ１の１／２と第２のレーザビーム２の焦点深度ｚ２の１／２との和は、約０．８ｍｍである。
【００７７】
一方、図３（ｂ）から分かるように、第１のレーザビーム１のビームウエストの位置Ｗ１と第２のレーザビーム２のビームウエストの位置Ｗ２との間の距離は、約０．９ｍｍである。
【００７８】
従って、第１のレーザビーム１のビームウエストと第２のレーザビーム２のビームウエストとの間の距離は、第１のレーザビーム１の焦点深度ｚ１の１／２と第２のレーザビーム２の焦点深度ｚ２の１／２との和より大きくなっている。従って、第１のレーザビーム１の焦点深度ｚ１内の領域Ｓ１と第２のレーザビーム２の焦点深度ｚ２内の領域Ｓ２とは、互いに離間しており、オーバーラップしていない。
【００７９】
このように、本実施形態では、第１のレーザビーム１の焦点深度ｚ１内の領域Ｓ１と第２のレーザビーム２の焦点深度ｚ２内の領域Ｓ２とが互いに離間している。利得媒体４内の同一箇所において第１のレーザビーム１と第２のレーザビーム２にエネルギーが分割されるわけではないため、高出力の第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２を得ることができる。また、利得媒体４内の同一箇所でエネルギーの奪い合いが生じるわけではないため、第１のレーザビーム１の励起閾値と第２のレーザビーム２の励起閾値とが異なる場合であっても、安定した出力の第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２が得られる。このように、本実施形態によれば、中心波長が互いに異なる第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２を良好に出力し得るモードロックレーザ装置を提供することができる。
【００８０】
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態によるモードロックレーザ装置について図４を用いて説明する。図４は、本実施形態によるモードロックレーザ装置の構成を示す図である。図１乃至図３に示す第１及び第２実施形態によるモードロックレーザ装置と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
【００８１】
本実施形態は、凸面レンズ１２ｄによりビームウエスト調整機構が構成されているものである。なお、第１のレーザビーム１の中心波長を７５０ｎｍ程度、第２のレーザビーム２の中心波長を８５０ｎｍ程度として、具体的な数値を示す。
【００８２】
図４に示すように、ビームウエスト調整機構としての凸面レンズ１２ｄが第１のレーザビーム１の光路上に配されている。より具体的には、凸面レンズ１２ｄは、プリズムミラー１３と全反射ミラー２１との間における第１のレーザビーム１の光路上に配されている。
【００８３】
アウトプットカプラ２５と凹面ミラー２３との間の距離は、例えば５０ｃｍ程度とする。凹面レンズ２４とミラー２１との間の光路の長さは例えば６０ｃｍとする。凹面ミラー２４とミラー２２との間の光路の長さは、例えば６０ｃｍ程度とする。凸面レンズ１２ｄとミラー２１との間の距離は、例えば１０ｃｍとする。凸面レンズ１２ｄの焦点距離は、例えば６．５ｃｍとする。
【００８４】
一般に、レーザビームの光路上に配された反射面の曲率がＲの凹面ミラー１２ａと、焦点距離がｆの凸面レンズ１２ｄとは、Ｒ／２＝ｆのとき、共振器を構成する上で等価とみなすことができる。上述したように、本実施形態における凸面レンズ１２ｄの焦点距離ｆは、６．５ｃｍである。また、上述したように、第２実施形態において用いられている凹面ミラー１２ａの反射面の曲率Ｒは、１３ｃｍである。従って、本実施形態における凸面レンズ１２ｄと第２実施形態における凹面ミラー１２ａとは、共振器３０を構成する上で等価とみなすことができる。
【００８５】
従って、本実施形態においても、第２実施形態と同様に、第１のレーザビーム１のビームウエストの位置Ｗ１と第２のレーザビーム２のビームウエストの位置Ｗ２との間の距離は、約０．９ｍｍとなる。
【００８６】
従って、本実施形態においても、第１のレーザビーム１のビームウエストと第２のレーザビーム２のビームウエストとの間の距離は、第１のレーザビーム１の焦点深度ｚ１の１／２と第２のレーザビーム２の焦点深度ｚ２の１／２との和より大きくなる。第１のレーザビームの焦点深度ｚ１内の領域と第２のレーザビームの焦点深度ｚ２内の領域とは、互いに離間しており、オーバーラップしていない。
【００８７】
このように、本実施形態においても、第１のレーザビームの焦点深度ｚ１内の領域と第２のレーザビームの焦点深度ｚ２内の領域とが互いに離間している。本実施形態においても、利得媒体４内の同一箇所において第１のレーザビーム１と第２のレーザビーム２にエネルギーが分割されるわけではないため、高出力の第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２を得ることができる。また、利得媒体４内の同一箇所でエネルギーの奪い合いが生じるわけではないため、第１のレーザビーム１の励起閾値と第２のレーザビーム２の励起閾値とが異なる場合であっても、安定した出力の第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２が得られる。このように、本実施形態によっても、中心波長が互いに異なる第１のレーザビーム１及び第２のレーザビームを良好に出力し得るモードロックレーザ装置を提供することができる。
【００８８】
［第４実施形態］
本発明の第４実施形態によるモードロックレーザ装置について図５を用いて説明する。図５は、本実施形態によるモードロックレーザ装置の構成を示す図である。図１乃至図４に示す第１乃至第３実施形態によるモードロックレーザ装置と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
【００８９】
本実施形態によるモードロックレーザ装置は、凹面ミラー１２ａと凸面ミラー１２ｂが相俟ってビームウエスト調整機構を構成している。
【００９０】
凹面ミラー１２ａは、例えば第１のレーザビーム１の光路上に配されている。プリズムミラー１３から凹面ミラー１２ａに達する第１のレーザビーム１が、凹面ミラー１２ａにより反射されて、ミラー２１に達するように、凹面ミラー１２ａが配されている。
【００９１】
凸面ミラー１２ｂは、例えば第２のレーザビーム２の光路上に配されている。プリズムミラー１３から凸面ミラー１２ｂに達する第２のレーザビーム２が、凸面ミラー１２ｂによって反射されて、ミラー２２に達するように、凸面ミラー１２ｂが配されている。
【００９２】
図２を用いて上述したように、凹面ミラー１２ａと、凸面ミラー１２ｂとは、レーザビーム１，２の波面の曲率を逆方向に変化させる。このため、第１のレーザビーム１のビームウエストの位置ｗ１と第２のレーザビーム２のビームウエストの位置ｗ２とは、利得媒体４の内部において互いに逆方向にずれる。このため、本実施形態では、第１のレーザビーム１のビームウエストの位置ｗ１と第２のレーザビーム２のビームウエストの位置ｗ２との間の距離を、より大きくすることができる。
【００９３】
なお、ここでは、第１のレーザビーム１の光路上に凹面ミラー１２ａを配し、第２のレーザビーム２の光路上に凸面ミラー１２ｂを配したが、これに限定されるものではない。第１のレーザビーム１の波面の曲率と第２のレーザビーム２の波面の曲率とが互いに逆方向に変化するように、凹面ミラー１２ａ、凸面ミラー１２ｂ、凹面レンズ１２ｃ、凸面レンズ１２ｄを適宜組み合わせればよい。例えば、第１のレーザビーム１の光路上に凹面ミラー１２ａを配する場合には、第２のレーザビーム２の光路上に凸面ミラー１２ｂ又は凹面レンズ１２ｃを配すればよい。また、第１のレーザビーム１の光路上に凸面ミラー１２ｂを配する場合には、第２のレーザビーム２の光路上に凹面ミラー１２ａ又は凸面レンズ１２ｄを配すればよい。また、第１のレーザビーム１の光路上に凹面レンズ１２ｃを配する場合には、第２のレーザビーム２の光路上に凹面ミラー１２ａ又は凸面レンズ１２ｄを配すればよい。また、第１のレーザビーム１の光路上に凸面レンズ１２ｄを配する場合には、第２のレーザビーム２の光路上に凸面ミラー１２ｂ又は凹面レンズ１２ｃを配すればよい。
【００９４】
このように、本実施形態では、第１のレーザビーム１の焦点深度ｚ１内の領域Ｓ１と第２のレーザビーム２の焦点深度ｚ２内の領域Ｓ２との離間距離がより大きくなる。このため、本実施形態によれば、より高出力の第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２を得ることができる。また、本実施形態によれば、より安定した出力の第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２が得られる。このように、本実施形態によれば、中心波長が互いに異なる第１のレーザビーム１及び第２のレーザビームをより良好に出力し得るモードロックレーザ装置を提供することができる。
【００９５】
［第５実施形態］
本発明の第５実施形態によるモードロックレーザ装置について図６を用いて説明する。図６（ａ）は、本実施形態によるモードロックレーザ装置の構成を示す図である。図１乃至図５に示す第１乃至第４実施形態によるモードロックレーザ装置と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
【００９６】
本実施形態によるモードロックレーザ装置は、第１のレーザビーム１の光路の一端に配されるミラーとして凹面ミラー１２ａが用いられており、第２のレーザビーム２の光路の一端に配されるミラーとして凸面ミラー１２ｂが用いられているものである。
【００９７】
本実施形態では、凹面ミラー１２ａとアウトプットカプラ２５との間で第１のレーザビーム１が往復するようになっている。即ち、本実施形態では、凹面ミラー１２ａが、第１のレーザビーム１の光路の一端に配されるミラーを兼ねている。
【００９８】
また、本実施形態では、凸面ミラー１２ｂとアウトプットカプラ２５との間で第２のレーザビーム２が往復するようになっている。即ち、本実施形態では、凸面ミラー１２ｂが、第２のレーザビーム２の光路の一端に配されるミラーを兼ねている。
【００９９】
凹面ミラー１２ａと凸面ミラー１２ｂとが相俟って、ビームウエスト調整機構を構成している。
【０１００】
プリズムミラー１３から凹面ミラー１２ａに達する第１のレーザビーム１が、凹面ミラー１２ａにより反射されて反対方向に折り返され、プリズムミラー１３に達するように、凹面ミラー１２ａが配されている。また、プリズムミラー１３から凸面ミラー１２ｂに達する第２のレーザビーム２が、凸面ミラー１２ｂにより反射されて反対方向に折り返され、プリズムミラー１３に達するように凸面ミラー１２ｂが配されている。
【０１０１】
従って、凹面ミラー１２ａ及び凸面ミラー１２ｂは、ビームウエスト調整機構としての役割を果たすと共に、第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２を反射して共振器３内に戻す役割をも果たす。
【０１０２】
凹面ミラー１２ａの反射面の曲率は、例えば２３ｃｍ程度とする。凸面ミラー１２ｂの反射面の曲率は、例えば８０ｃｍ程度とする。
【０１０３】
図６（ｂ）は、利得媒体４の内部における第１のレーザビーム１と第２のレーザビーム２のビーム径Ｄのシミュレーション値を示すグラフである。
【０１０４】
図６（ｂ）から分かるように、第１のレーザビーム１の焦点深度ｚ１は、約０．８ｍｍである。また、図６（ｂ）から分かるように、第２のレーザビーム２の焦点深度ｚ２は、約０．７ｍｍである。また、図６（ｂ）から分かるように、第１のレーザビーム１のビームウエストの位置Ｗ１と第２のレーザビーム２のビームウエストの位置Ｗ２との間の距離は、約１．０ｍｍである。
【０１０５】
従って、本実施形態においても、第１のレーザビーム１のビームウエストと第２のレーザビーム２のビームウエストとの間の距離は、第１のレーザビーム１の焦点深度ｚ１の１／２と第２のレーザビーム２の焦点深度ｚ２の１／２との和より大きくなる。第１のレーザビームの焦点深度ｚ１内の領域と第２のレーザビームの焦点深度ｚ２内の領域とは、互いに離間しており、オーバーラップしていない。
【０１０６】
このように、本実施形態においても、第１のレーザビームの焦点深度ｚ１内の領域と第２のレーザビームの焦点深度ｚ２内の領域とが互いに離間している。本実施形態においても、利得媒体４内の同一箇所において第１のレーザビーム１と第２のレーザビーム２にエネルギーが分割されるわけではないため、高出力の第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２を得ることができる。また、利得媒体４内の同一箇所でエネルギーの奪い合いが生じるわけではないため、第１のレーザビーム１の励起閾値と第２のレーザビーム２の励起閾値とが異なる場合であっても、安定した出力の第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２が得られる。このように、本実施形態においても、中心波長が互いに異なる第１のレーザビーム１及び第２のレーザビームを良好に出力し得るモードロックレーザ装置を提供することができる。
【０１０７】
［第６実施形態］
本発明の第６実施形態によるモードロックレーザ装置について図７を用いて説明する。図７は、本実施形態によるモードロックレーザ装置の構成を示す図である。図１乃至図６に示す第１乃至第５実施形態によるモードロックレーザ装置と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
【０１０８】
本実施形態によるモードロックレーザ装置は、１つのプリズム１１により光路分岐機構が構成されているものである。
【０１０９】
上述した第２乃至第５実施形態においては、プリズム対１１ａ、１１ｂとプリズムミラー１３とにより光路分岐機構を構成したが、本実施形態では、波長分割のための１つのプリズム１１により光路分岐機構が構成されている。
【０１１０】
第１のレーザビーム１と第２のレーザビーム２とは、中心波長が互いに異なるものである。プリズム１１内における屈折率は、光の波長によって異なるため、プリズム１１を通過した第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２の方向は互いに異なった方向となる。このため、第１のレーザビーム１の光路と第２のレーザビーム２の光路とは、プリズム１１によって分岐される。
【０１１１】
また、本実施形態では、第１のレーザビーム１の光路の一端に配されるミラーとして凹面ミラー１２ａが用いられている。そして、本実施形態では、凹面ミラー１２ａとアウトプットカプラ２５との間で第１のレーザビーム１が往復するようになっている。即ち、本実施形態では、凹面ミラー１２ａが、第１のレーザビーム１の光路の一端に配されるミラーを兼ねている。プリズム１１から凹面ミラー１２ａに達した第１のレーザビームが、凹面ミラー１２ａにより反対方向に反射されてプリズム１１に達するように、凹面ミラー１２ａが配されている。
【０１１２】
第２のレーザビーム２の光路の一端には、高反射平面ミラーであるミラー２２が設けられている。プリズム１１からミラー２２に達した第２のレーザビーム２が、ミラー２２により反対方向に反射されてプリズム１１に達するように、ミラー２２が配されている。
【０１１３】
なお、ここでは、第１のレーザビーム１の光路の一端に凹面ミラー１２ａを配し、第２のレーザビーム２の光路の一端に高反射平面ミラーであるミラー２２を配する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、第１のレーザビーム１の光路の一端に凹面ミラー１２ａを配し、第２のレーザビーム２の光路の一端に凸面ミラー１２ｂを配するようにしてもよい。また、第１のレーザビーム１の光路の一端に凸面ミラー１２ｂを配し、第２のレーザビーム２の光路の一端に凹面ミラー１２ａを配するようにしてもよい。また、第１のレーザビーム１の光路の一端に凸面ミラー１２ｂを配し、第２のレーザビーム２の光路の一端に高反射平面ミラー２２を配するようにしてもよい。第１のレーザビーム１と第２のレーザビーム２のビームウエスト間の距離が、第１のレーザビーム１の焦点深度ｚ１の１／２と第２のレーザビーム２の焦点深度ｚ２の１／２との和より大きくなるように、ビームウエスト調整機構を適宜構成すればよい。
【０１１４】
このように、本実施形態においても、第１のレーザビーム１の焦点深度ｚ１内の領域と第２のレーザビーム２の焦点深度ｚ２の領域とが互いに離間している。本実施形態においても、利得媒体４内の同一箇所において第１のレーザビーム１と第２のレーザビーム２にエネルギーが分割されるわけではないため、高出力の第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２を得ることができる。また、利得媒体４内の同一箇所でエネルギーの奪い合いが生じるわけではないため、第１のレーザビーム１の励起閾値と第２のレーザビーム２の励起閾値とが異なる場合であっても、安定した出力の第１のレーザビーム１及び第２のレーザビーム２が得られる。このように、本実施形態においても、中心波長が互いに異なる第１のレーザビーム１及び第２のレーザビームを良好に出力し得るモードロックレーザ装置を提供することができる。
【０１１５】
［第７実施形態］
本発明の第７実施形態による計測装置について図８を用いて説明する。図８は、本実施形態による計測装置の構成を示す図である。図１乃至図７に示す第１乃至第６実施形態によるモードロックレーザ装置と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
【０１１６】
本実施形態による計測装置（測定装置）は、第１乃至第６実施形態のいずれかによるモードロックレーザ装置が光源部１５０に用いられている計測装置（非線形光学計測装置）である。ここでは、本実施形態による計測装置が誘導ラマン散乱顕微鏡である場合を例に説明するが、誘導ラマン散乱顕微鏡に限定されるものではない。第１乃至第６実施形態において上述したモードロックレーザ装置は、様々な計測装置に適宜用いることができる。
【０１１７】
光源部１５０からは、ポンプ光（励起光）Ｐとストークス光Ｓとが出射されるようになっている。ポンプ光Ｐの中心波長はλｐである。ストークス光Ｓの中心波長は、ポンプ光の中心波長λｐと異なるλｓである。ポンプ光Ｐは、例えば、第１乃至第６実施形態において上述した第１のレーザビーム１に対応している。ストークス光Ｓは、例えば、第１乃至第６実施形態において上述した第２のレーザビーム２に対応している。ポンプ光Ｐの光軸とストークス光Ｓの光軸とは、一致している。
【０１１８】
光源部１５０から出射されたポンプ光Ｐ及びストークス光Ｓは、集光光学系１５４で集光されて被検体１５５に照射される。集光点においては、ポンプ光Ｐとストークス光Ｓとによって、被検体１５５を構成する分子の分子振動に基づく誘導ラマン散乱が生じる。誘導ラマン散乱が生じると、ポンプ光Ｐの強度及びストークス光Ｓの強度がそれぞれ変化する。
【０１１９】
被検体１５５を通過したポンプ光Ｐ及びストークス光Ｓは、集光光学系１５６により集光され、バンドパスフィルタ１５７に入射される。バンドパスフィルタ１５７は、ポンプ光Ｐの波長域の光を透過させるものである。ポンプ光Ｐは、バンドパスフィルタ１５７を通過し、信号光として受光素子１５８により受光される。
【０１２０】
受光素子１５８により取得された情報は、情報取得部１５９に入力されるようになっている。情報取得部１５９は、受光素子１５８により取得された情報に基づいて、画像情報を生成する。
【０１２１】
受光素子１５８と情報取得部１５９とは、本実施形態による計測装置の検出部の一部を構成している。
【０１２２】
情報取得部１５９により生成された画像情報は、必要に応じて表示部１６０を用いて表示される。
【０１２３】
なお、光源部１５０から出力されるポンプ光Ｐ及びストークス光Ｓを、図示しない走査手段を用いて走査するようにしてもよい。集光点を適宜走査することにより、被検体１５５の二次元情報や三次元情報を取得することができる。
【０１２４】
本実施形態によれば、安定した高出力のポンプ光及びストークス光を出射し得るモードロックレーザ装置が光源部１５０に用いられているため、強い信号光を安定して得ることができ、ひいては、被検体１５０について高精度な情報を取得することができる。
【０１２５】
また、光源部１５０に用いられているモードロックレーザ装置の励起効率が高いため、計測装置全体としての消費電力を低減することもできる。
【０１２６】
［変形実施形態］
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【０１２７】
例えば、上記実施形態では、モードロッカーとして機能し得るチタンサファイア結晶より成る利得媒体４を用いる場合を例に説明したが、モードロッカーとして機能し得る他の光学部品を更に用いてもよい。例えば、レーザビームの強度によって透過率が変化する過飽和吸収体のモードロッカーを更に用いてもよい。かかる過飽和吸収体としては、例えば、色素、半導体、カーボンナノチューブ、グラフェン等が挙げられる。また、ＡＯ素子（Ａｃｏｕｓｔｏ  Ｏｐｔｉｃ  Ｅｌｅｍｅｎｔ）より成るモードロッカーを更に用いてもよい。このようなモードロッカーは、第１のレーザビーム１の光路上や第２のレーザビーム２の光路上に適宜配すればよい。
【０１２８】
また、上記実施形態では、光路分岐機構に波長分割のためのプリズム１１，１１ａ、１１ｂを用いたが、プリズム１１、１１ａ、１１ｂの代わりに回折格子１４を用いてもよい。図９は、回折格子を示す断面図である。回折格子１４を用いた場合にも、第１のレーザビーム１の光路と第２のレーザビーム２の光路とを分岐することができる。例えば、図３（ａ）、図３、図５、図６に示すプリズム対１１ａ、１１ｂの代わりに、波長分割のための一対の回折格子１１より成る回折格子対を配してもよい。また、図７に示す１つのプリズム１１の代わりに、波長分割のための１つの回折格子１４を配してもよい。
【符号の説明】
【０１２９】
２１、２２、９１…ミラー
２３、２４、１２ａ、９２…凹面ミラー
１２ｂ…凸面ミラー
１２ｄ…凸レンズ
２５、９３…アウトプットカプラ
１１１…光路分岐機構
１２…ビームウエスト調整機構
６、９６…励起光源、
４、９４…利得媒体
１、２、９５、９５ａ、９５ｂ…レーザビーム
１３…プリズムミラー
１１、１１ａ、１１ｂ、９８…プリズム
９９…ダブルスリット
９７…可飽和吸収体
１１５ａ〜１１８ａ、１１５ｂ〜１１８ｂ…波面
１００…ビームウエスト
１１３、１１４…ビーム輪郭形状
１５０…光源部
１５４…集光光学系
１５５…被検体
１５６…光集光光学系
１５７…バンドパスフィルタ
１５８…受光素子
１５９…情報取得部
【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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