(57)【要約】      （修正有）【課題】装置を小型化できるレーザー発振器及びレーザー発振器を備えた光計測装置を提供する。【解決手段】第１ミラー２と、第１ミラー２と対向配置された第２ミラー３と、第１ミラー２及び第２ミラー３間に配置された非線形結晶としてのカーレンズ効果を生じ得る利得媒体４とを含み、励起光源７によって誘導放出された光１１が、第１ミラー２、利得媒体４、第２ミラー３の順の第１方向及び前第２ミラー３、利得媒体４、第１ミラー２の順の第２方向に周回する周回光路９を備え、利得媒体４内の光路長が第１方向と第２方向とで異なり、光１１が第１方向に周回光路９を周回してモードロックされた第１パルスレーザーと、光１１が第２方向に周回光路９を周回してモードロックされ、繰り返し周波数が第１パルスレーザーと異なる第２パルスレーザーとを出射する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１ミラーと、前記第１ミラーと対向配置された第２ミラーと、前記第１ミラー及び前記第２ミラー間に配置された非線形結晶とを含み、励起光源によって誘導放出された光が、前記第１ミラー、前記非線形結晶、前記第２ミラーの順の第１方向及び前記第２ミラー、前記非線形結晶、前記第１ミラーの順の第２方向に周回する周回光路を備え、
前記非線形結晶内の光路長が前記第１方向と前記第２方向とで異なり、
前記光が前記第１方向に前記周回光路を周回してモードロックされた第１パルスレーザーと、
前記光が前記第２方向に前記周回光路を周回してモードロックされ、繰り返し周波数が前記第１パルスレーザーと異なる第２パルスレーザーとを出射する
ことを特徴とするレーザー発振器。
【請求項２】
前記非線形結晶内の光路長が前記第１方向と前記第２方向とで異なることは、
前記非線形結晶の中心が前記第１ミラーの焦点及び前記第２ミラーの焦点と異なる位置になるように、前記非線形結晶が配置されていることである
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザー発振器。
【請求項３】
前記非線形結晶の中心と前記第１ミラーの焦点及び前記第２ミラーの焦点とが異なる位置にあることは、
前記非線形結晶の中心が前記第１ミラー及び前記第２ミラー間の中心と異なる位置になるように、前記非線形結晶が配置されていることである
ことを特徴とする請求項２に記載のレーザー発振器。
【請求項４】
前記第１ミラー、前記第２ミラー、及び前記非線形結晶の少なくとも１つの位置を動かすことで、前記第１パルスレーザーの繰り返し周波数と前記第２パルスレーザーの繰り返し周波数の差を調整する周波数差調整部を備える
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザー発振器。
【請求項５】
前記周回光路は、前記励起光源によって励起されて前記光を誘導放出する利得媒体と前記非線形結晶とを含む
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザー発振器。
【請求項６】
前記励起光源の励起光を集光して前記非線形結晶に照射するレンズを備え、
前記非線形結晶内の光路長が前記第１方向と前記第２方向とで異なることは、
前記レンズの焦点が前記非線形結晶の中心と前記第１ミラーの焦点及び前記第２ミラーの焦点と前記非線形結晶の中心との少なくとも１つと異なる位置になるように、前記レンズが配置されていることである
ことを特徴する請求項１に記載のレーザー発振器。
【請求項７】
前記レンズの位置を動かすことで、前記第１パルスレーザーの繰り返し周波数と前記第２パルスレーザーの繰り返し周波数との差を調整する周波数差調整部を備える、
ことを特徴とする請求項６に記載のレーザー発振器。
【請求項８】
前記第１パルスレーザーと前記第２パルスレーザーの繰り返し周波数の差が、０ｋＨｚより大きく１０ｋＨｚ以下である
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のレーザー発振器。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーザー発振器と、
前記レーザー発振器から出射された前記第１パルスレーザー及び前記第２パルスレーザーを重ね合わせる光重合手段と、
前記第１パルスレーザー及び前記第２パルスレーザーを前記光重合手段によって重ね合わせた干渉波を検出する干渉波検出手段と、
検出した前記干渉波をフーリエ変換するフーリエ変換手段と
を備えることを特徴とする分光装置。
【請求項１０】
前記干渉波が被検物に照射され、
前記干渉波検出手段が、前記被検物を透過した前記干渉波を検出する
ことを特徴とする請求項９に記載の分光装置。
【請求項１１】
前記第１パルスレーザー又は前記第２パルスレーザーが被検物に照射され、
前記光重合手段が、前記被検物を透過した前記第１パルスレーザー又は前記第２パルスレーザーと、前記第２パルスレーザー又は前記第１パルスレーザーとを重ね合わせる
ことを特徴とする請求項９に記載の分光装置。
【請求項１２】
請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーザー発振器を備えることを特徴とする光コヒーレンストモグラフィ装置。
【請求項１３】
請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーザー発振器を備えることを特徴とする非同期光サンプリング装置。
【請求項１４】
請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーザー発振器を備えることを特徴とする長距離絶対距離計測装置。
【請求項１５】
請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーザー発振器を備えることを特徴とするＣＷレーザー高速高分解能分光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー発振器及びレーザー発振器を備えた分光装置、光コヒーレンストモグラフィ装置、非同期光サンプリング装置、長距離絶対距離計測装置、ＣＷレーザー高速高分解能分光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
分子振動スペクトルを測定するために、マイケルソン干渉計を用いたフーリエ分光法（ＦＴ−ＩＲともいう。）が広く用いられている。フーリエ分光法では、測定時にミラーを機械的に移動させる必要がある。そのためフーリエ分光法では、ミラーの移動速度が測定速度を向上するうえでボトルネックとなり、測定速度を向上し難い。
【０００３】
そこで、フーリエ分光法より高い分解能でかつ短時間で分光スペクトルを取得できるデュアルコム分光法が注目されている（非特許文献１参照）。
【０００４】
デュアルコム分光法は、繰り返し周波数が異なる２つの超短パルスレーザーを重ね合わせて被検物に照射し、被検物を透過した光を検出し、検出した透過光をフーリエ変換して分光スペクトルを得る。このようにデュアルコム分光法では、ミラーを機械的に移動させることがなく、被検物を透過した光を検出してフーリエ変換すればよいので、より短時間で測定できる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】A. Schliesseret al., Optics Express 13, 9029 (2005)
【非特許文献２】S.-J. Lee et al., Japanese Journal of Applied Physics. 40, L878-L880 (2001)
【非特許文献３】A. Bartels et al., Review of Scientific Instruments 78, 035107 (2007)
【非特許文献４】I. Coddington et al., Nature Photonics 3, 351-356 (2009)
【非特許文献５】F. R. Giorgettaet al., Nature Photonics 4, 853-857 (2010)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、デュアルコム分光法のように異なる周波数のレーザーを用いる測定方法では、２台のレーザー発振器と繰り返し周波数安定化機構とを用意する必要があり、装置を小型化することが難しかった。
【０００７】
そこで、本発明は、装置を小型化できるレーザー発振器及びレーザー発振器を備えた分光装置、光コヒーレンストモグラフィ装置、非同期光サンプリング装置、長距離絶対距離計測装置、ＣＷレーザー高速高分解能分光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】
【０００８】
本発明のレーザー発振器は、第１ミラーと、前記第１ミラーと対向配置された第２ミラーと、前記第１ミラー及び前記第２ミラー間に配置された非線形結晶とを含み、励起光源によって誘導放出された光が、前記第１ミラー、前記非線形結晶、前記第２ミラーの順の第１方向及び前記第２ミラー、前記非線形結晶、前記第１ミラーの順の第２方向に周回する周回光路を備え、前記非線形結晶内の光路長が前記第１方向と前記第２方向とで異なり、前記光が前記第１方向に前記周回光路を周回してモードロックされた第１パルスレーザーと、前記光が前記第２方向に前記周回光路を周回してモードロックされ、繰り返し周波数が前記第１パルスレーザーと異なる第２パルスレーザーとを出射することを特徴とする。
【０００９】
本発明の分光装置は、請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーザー発振器と、前記レーザー発振器から出射された前記第１パルスレーザー及び前記第２パルスレーザーを重ね合わせる光重合手段と、前記第１パルスレーザー及び前記第２パルスレーザーを前記光重合手段によって重ね合わせた干渉波を検出する干渉波検出手段と、検出した前記干渉波をフーリエ変換するフーリエ変換手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明の光コヒーレンストモグラフィ装置は、請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーザー発振器を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明の非同期光サンプリング装置は、請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーザー発振器を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明の長距離絶対距離計測装置は、請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーザー発振器を備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明のＣＷレーザー高速高分解能分光装置は、請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーザー発振器を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のレーザー発振器は、非線形結晶内の光路長が第１方向と第２方向とで異なるので、繰り返し周波数が異なるパルスレーザーを発振でき、デュアルコム分光装置などの２つの異なる周波数のレーザーが必要な装置に用いることで、装置を小型化できる。
【００１５】
本発明の分光装置は、請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーザー発振器を備えるので、小型化できる。
【００１６】
本発明の光コヒーレンストモグラフィ装置は、請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーザー発振器を備えるので、小型化できる。
【００１７】
本発明の非同期光サンプリング装置は、請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーザー発振器を備えるので、小型化できる。
【００１８】
本発明の長距離絶対距離計測装置は、請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーザー発振器を備えるので、小型化できる。
【００１９】
本発明のＣＷレーザー高速高分解能分光装置は、請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーザー発振器を備えるので、小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施形態のレーザー発振器の全体構成を示す概略図である。
【図２】変形例のレーザー発振器の全体構成を示す概略図である。
【図３】実施形態の分光装置の全体構成を示す概略図である。
【図４】実施形態のレーザー発振器のから出射された２つのパルスレーザーのスペクトルである。
【図５】図５Ａは実施形態のレーザー発振器から出射された２つのパルスレーザーの繰り返し周波数の経時変化を示すグラフであり、図５Ｂは実施形態のレーザー発振器から出射された２つのパルスレーザーにおける繰り返し周波数の差の経時変化を示すグラフである。
【図６】図６Ａは箱を被せた状態の実施形態のレーザー発振器から出射された２つのパルスレーザーの繰り返し周波数の経時変化を示すグラフであり、図６Ｂは箱を被せた状態の実施形態のレーザー発振器から出射された２つのパルスレーザーにおける繰り返し周波数の差の経時変化を示すグラフである。
【図７】図７Ａは、利得媒体の移動方向を表す模式図であり、図７Ｂは利得媒体の初期位置からの距離と実施形態のレーザー発振器の２つのパルスレーザーの繰り返し周波数の差との関係を表すグラフである。
【図８】図８Ａは、第２ミラーの移動方向を表す模式図であり、図８Ｂは第２ミラーの初期位置からの距離と実施形態のレーザー発振器の２つのパルスレーザーの繰り返し周波数の差との関係を表すグラフである。
【図９】図９Ａは、レンズの移動方向を表す模式図であり、図９Ｂはレンズの初期位置からの距離と実施形態のレーザー発振器の２つのパルスレーザーの繰り返し周波数の差との関係を表すグラフである。
【図１０】実施形態の分光装置で測定した分光スペクトルと実施形態のレーザー発振器のパルスレーザーのスペクトルを表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（１）本発明の実施形態に係るレーザー発振器の構成
図１に示すように、レーザー発振器１は、第１ミラー２と、第１ミラー２と対向配置された第２ミラー３と、第１ミラー２及び第２ミラー３間に配置され、非線形結晶としてのカーレンズ効果（光カー効果）を生じ得る利得媒体４と、第１ミラー２と隣合い第２ミラー３と向かい合うように配置された第３ミラー５と、第２ミラー３と隣合い第１ミラー２と向かい合うように配置されたアウトプットカプラ６とを備えている。
【００２２】
第１ミラー２及び第２ミラー３は、第１ミラー２の焦点と第２ミラー３の焦点とが重なるように配置されている。
【００２３】
本実施形態の場合、第１ミラー２及び第２ミラー３は反射率９９．９％曲率半径３０ｍｍの凹面鏡であり、利得媒体４はサファイアにチタンがドープされたチタンサファイア結晶（Ti:Al2O3）であり、第３ミラー５は反射率９９．８％曲率半径１０００ｍｍの凸面鏡であり、アウトプットカプラ６は反射率９９．０％の平面鏡であり、１％の光が透過できる。
【００２４】
さらに本実施形態の場合、第１ミラー２、第２ミラー３、及び第３ミラー５は、チャープミラーである。このように各ミラーをチャープミラーとすることで、周回光路９を周回する光１１の群速度分散を補償している。チャープミラーのかわりに通常のミラーを用いることもできる。その場合は、プリズム対を光の経路上に配置するなどして群速度分散を補償する。
【００２５】
なお、各ミラーの形状や反射率なども、下記で説明する周回光路９を形成することができれば、特に限定されない。また、利得媒体４としては、Yb: YAG, Yb:KYW, Yb:KY(WO4)2, Yb:YVO4, Yb:Sc2O3, Nd:YAG, Cr:YAG, Cr:forsterite, Cr:LiSGaF, Cr:LiSAF, Cr:LiCAF, Cr:ZnS, Cr:ZnSe, Pr:YLF,Yb:Y2O3,Yb:Lu2O3などなどを用いることができる。
【００２６】
さらにレーザー発振器１は、励起光源７とレンズ８とを備えている。励起光源７は、第１ミラー２を挟んで利得媒体４と対向するように配置されており、励起光１０を利得媒体４に照射する。励起光１０が利得媒体４に照射されると利得媒体４が励起され、利得媒体から光１１が誘導放出される。
【００２７】
励起光源７は、利得媒体４の種類に合わせて適宜選択される。利得媒体４がチタンサファイア結晶である本実施形態では、励起光源７としてNd:YVO4レーザーの第二高調波（波長５３２ｎｍ）を用いた。また、励起光源７としては、Nd:YAGレーザー、Nd:YLFレーザー、Nd:YVO4レーザー、AlInGaNなどによるレーザーダイオードやYbファイバーレーザーの第二高調波、光励起半導体レーザーなどを用いてもよい。
【００２８】
レンズ８は、励起光源７と第１ミラー２の間に配置されており、励起光１０を集光し、集光された励起光１０を利得媒体４に照射する。またレンズ８は、焦点が利得媒体４内に位置するように配置されている。本実施形態の場合、レンズ８は、焦点距離が４０ｍｍの凸レンズである。
【００２９】
第１ミラー２、第２ミラー３、第３ミラー５、及びアウトプットカプラ６は、利得媒体４から誘導放出された光１１が利得媒体４、第２ミラー３、第３ミラー５、アウトプットカプラ６、第１ミラー２、利得媒体４の順の第１方向（図１に示す矢印Ｂの方向）に周回できるように、向きや位置が調整されて配置されており、リング状の周回光路９を形成している。
【００３０】
利得媒体４から誘導放出された光１１は第１方向とは逆回りである利得媒体４、第１ミラー２、アウトプットカプラ６、第３ミラー５、第２ミラー３、利得媒体４の順の第２方向（図１に示す矢印Ａの方向）にも周回光路９を周回できる。このように、誘導放出された光１１は、第１方向及び第２方向の２方向に周回光路９を周回する。
【００３１】
本実施形態の場合、周回光路９は、レーザー発振器１で発振されるパルスレーザーの繰り返し周波数を１ＧＨｚ程度にするために、光路長が３０ｃｍ程度に設定されている。周回光路９の光路長は、得たい繰り返し周波数に合わせて適宜変更することができる。
【００３２】
利得媒体４においてカーレンズ効果を生じるため、周回光路９を周回する光１１はモードロックされる。第１方向に周回光路９を周回してモードロックされた光１１はアウトプットカプラ６から第１パルスレーザー（図１に示すＯｕｔｐｕｔＢ）として出射され、第２方向に周回光路９を周回してモードロックされた光１１はアウトプットカプラ６から第２パルスレーザー（図１に示すＯｕｔｐｕｔＡ）として出射される。このように、レーザー発振器１は２つのパルスレーザーを出射する。
【００３３】
本実施形態の場合、利得媒体４は、底面が２．３ｍｍ×５．０ｍｍの平行四辺形で、高さが３．０ｍｍの角柱形状に形成されている。利得媒体４は、周回光路９を第１方向に周回する光１１と周回光路９を第２方向に周回する光１１とが共にブリュースター角に近い角度で入射できるように配置されている。
【００３４】
さらに、利得媒体４は、利得媒体４の中心が第１ミラー３の焦点及び第２ミラー４の焦点と異なる位置になるように配置されている。本実施形態の場合、第１ミラー３及び第２ミラー４の曲率半径が同じであるので、第１ミラー３の焦点及び第２ミラー４の焦点は第１ミラー２及び第２ミラー３間の中心に位置する。すなわち、利得媒体４は、利得媒体４の中心が第１ミラー２及び第２ミラー３間の中心と異なる位置になるように配置されている。
【００３５】
本明細書では、第１ミラー２及び第２ミラー３間の中心とは第１ミラー２及び第２ミラー３間の光の経路の中点を言い、利得媒体４の中心とは利得媒体４内の光の経路の中点を言う。そして、異なる位置に配置されるとは、利得媒体４の中心が、第１ミラー２及び第２ミラー３間の中心から第１ミラー２方向又は第２ミラー３方向にずれていることをいう。
【００３６】
本実施形態は、利得媒体４の中心が第１ミラー２及び第２ミラー３間の中心と異なる位置にあるため、利得媒体４への光１１の当たり方が、第１方向に周回する光１１と第２方向に周回する光１１とで異なる。利得媒体４への光１１の当たり方が異なるので、利得媒体４を第１方向に光１１が透過する場合と第２方向に光１１が透過する場合とで、利得媒体４内の光路長が異なる。
【００３７】
利得媒体４内の光路長が周回方向によって異なるため、光１１が第１方向に周回するときの周回光路９の光路長と、光１１が第２方向に周回するときの周回光路９の光路長も異なることとなる。その結果、レーザー発振器１は、第１パルスレーザーと、繰り返し周波数が第１パルスレーザーと異なる第２パルスレーザーとを出射する。
【００３８】
本実施形態の場合、利得媒体４は、第１ミラー２と第２ミラー３の中心よりも第１ミラー２側に中心が位置するように配置されている。そのため、第１方向（図１中の矢印Ｂの方向）に周回光路９を周回する光１１と、第２方向（図１中の矢印Ａの方向）に周回光路９を周回する光１１とは、利得媒体４内の光路長が異なる。本実施形態の場合、第２方向の方が周回光路９の光路長が短く、第２パルスレーザー（図１中のＯｕｔｐｕｔＡ）の方が第１パルスレーザー（図１中のＯｕｔｐｕｔＢ）より繰り返し周波数が高い。
【００３９】
なお、利得媒体４の中心が第１ミラー２及び第２ミラー３間の中心と異なる位置にあることは、レーザー発振器１の写真を真上から撮影し、得られた撮影画像から距離を計測することで確認できる。
【００４０】
また、レーザー発振器１は、第１パルスレーザーと第２パルスレーザーとの繰り返し周波数の差を調整する周波数差調整部１３を備えている。本実施形態の場合、周波数差調整部１３は、非線形結晶としての利得媒体４を保持し、周波数差調整部１３に備えられた例えばアクチュエータなど（図示せず）で周波数差調整部１３を動かすことで、保持した利得媒体４を移動できるように作製されている。周波数差調整部１３は、利得媒体４を動かすことができれば特に限定されず、例えば、利得媒体４を載置する台座として作製してもよい。
【００４１】
周波数差調整部１３は、利得媒体４を第１ミラー２及び第２ミラー３間の周回光路９に沿って第１方向又は第２方向に動かすことで、第１ミラー２及び第２ミラー３間の中心（第１ミラー３の焦点と第２ミラー４の焦点）と利得媒体４の中心のずれを調整し、光１１の利得媒体４へ当たり方を調整して第１方向に周回する光１１と第２方向に周回する光１１の利得媒体４内の光路長を変えることで、第１パルスレーザーの繰り返し周波数と第２パルスレーザーの繰り返し周波数の差を調整できる。このような周波数差調整部１３を備えることで、第１１パルスレーザーと第２パルスレーザーとの繰り返し周波数の差を容易に調整できる。
【００４２】
また、周波数差調整部１３は、第１パルスレーザーと第２パルスレーザーの繰り返し周波数の差が０ｋＨｚより大きく１０ｋＨｚ以下となるように調整するのが好ましい。第１パルスレーザーと第２パルスレーザーの繰り返し周波数の差が０ｋＨｚより大きく１０ｋＨｚ以下であると、レーザー発振器１をデュアルコム分光装置に用いたとき、より確実に測定することができる。
【００４３】
（２）作用及び効果
以上の構成において、本実施形態のレーザー発振器１は、第１ミラー２と、第１ミラー２と対向配置された第２ミラー３と、第１ミラー２及び第２ミラー３間に配置され、非線形結晶としてのカーレンズ効果を生じ得る利得媒体４と、第３ミラー５と、レーザーを射出できるアウトプットカプラ６とを含むように構成した。
【００４４】
またレーザー発振器１は、励起光源７の励起光１０が利得媒体４に照射されて励起光源７によって誘導放出された光１１が、第１ミラー２、利得媒体４、第２ミラー３、第３ミラー５、アウトプットカプラ６、第１ミラー２の順の第１方向及び第２ミラー３、利得媒体４、第１ミラー２、アウトプットカプラ６、第３ミラー５、第２ミラー３の順の第２方向に周回できる周回光路９を備えるように構成した。
【００４５】
さらにレーザー発振器１は、利得媒体４の中心が、第１ミラー２及び第２ミラー３間の中心と異なる（第１ミラー２の焦点及び第２ミラー３の焦点と異なる）位置に配置され、利得媒体４内の光路長が第１方向と第２方向とで異なり、光１１が第１方向に周回光路９を周回してモードロックされた第１パルスレーザーと、光１１が第２方向に周回光路９を周回してモードロックされ、繰り返し周波数が第１パルスレーザーと異なる第２パルスレーザーとをアウトプットカプラ６から出射するように構成した。
【００４６】
よってレーザー発振器１は、利得媒体４内の光路長が第１方向と第２方向とで異なるので、周回光路９の光路長が第１方向に光１１が周回してモードロックされる場合と第２方向に光１１が周回してモードロックされる場合とで異なり、繰り返し周波数の異なる２つのパルスレーザーを発振できる。
【００４７】
加えてレーザー発振器１は、第１パルスレーザーと第２パルスレーザーとが同じ利得媒体４によって励起されモードロックされるので、同様のスペクトルを有する繰り返し周波数の異なる２つのパルスレーザーを発振することができ、デュアルコム分光装置に用いることができる。レーザー発振器１は、デュアルコム分光装置などの２つの異なる繰り返し周波数のレーザーが必要な装置に用いることで、レーザー発振器や繰り返し周波数安定化機構を省略でき、装置を小型化できる。
【００４８】
また、レーザー発振器１は、利得媒体４の位置を動かすことで、第１ミラー２及び第２ミラー３間の中心と利得媒体４の中心のずれを調整し、第１パルスレーザーの繰り返し周波数と第２パルスレーザーの繰り返し周波数の差を調整する周波数差調整部を備えるようにすることで、第１パルスレーザーと第２パルスレーザーの繰り返し周波数の差を容易に調整することができる。
【００４９】
（３）その他の実施形態
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能であり、例えば、図２に示すレーザー発振器２１のように、レーザー発振器２１内に利得媒体３４に加えて非線形結晶２４をさらに配置し、励起光３０を利得媒体３４に照射して利得媒体３４から誘導放出された光３１を利得媒体３４でモードロックし、非線形結晶２４の中心を、第１ミラー２２の焦点及び第２ミラー２３の焦点ずらして配置することで繰り返し周波数の異なる２つのパルスレーザーを発振するように構成してもよい。
【００５０】
このように、利得媒体３４と非線形結晶２４とを備えるようにすることで、レーザー発振器２１は、２つのパルスレーザーの繰り返し周波数の差の生成を非線形結晶２４に担わせることにより、利得媒体３４がモードロックに良い条件を維持できるようになり、安定したモードロック状態を実現できる。
【００５１】
さらに、レーザー発振器２１は、利得媒体３４と非線形結晶２４とを備えることで、上記実施形態の利得媒体４より大きな非線形効果を生じる非線形結晶２４を用いることができるので、繰り返し周波数の差をより大きくすることができる。
【００５２】
レーザー発振器２１は、第４ミラー３２と、第４ミラー３２と対向配置された第５ミラー３５と、第４ミラー３２及び第５ミラー３５間に配置された利得媒体３４と、第４ミラーと隣合い第５ミラー３５と向かい合うように配置された第３ミラー２５と、第５ミラー３５と隣合い第４ミラー３２と向かい合うように配置されたアウトプットカプラ２６と、第３ミラー２５と隣合いアウトプットカプラ２６と向かい合うように配置された第２ミラー２３と、アウトプットカプラ２６と隣合い第３ミラー２５及び第２ミラー２３と向かい合うように配置された第１ミラー２２と、対向配置された第１ミラー２２及び第２ミラー２３間に配置された非線形結晶２４とを備えている。第１ミラー２２及び第２ミラー３２３は焦点が重なるように配置されている。
【００５３】
本変形例では、利得媒体３４、第３ミラー２５、アウトプットカプラ２６は、上記実施形態の利得媒体４、第３ミラー５、アウトプットカプラ２６と同様の構成であり、第１ミラー２２、第２ミラー２２、第４ミラー３２、及び、第５ミラー３５、上記実施形態の第１ミラー２２と同様の構成である。非線形結晶２４は、本変形例の場合、石英で形成されており、石英以外にも各種ガラスやZnSなどを用いることができる。
【００５４】
レーザー発振器２１は、励起光源２７とレンズ２８とをさらに備える。励起光源２７は、第１ミラー３２を挟んで利得媒体３４と対向するように配置され、励起光３０を利得媒体３４に照射する。レンズ２８は、レンズ８と同様のレンズであり、励起光３０を集光して利得媒体３４に照射する。
【００５５】
励起光源２７から出射された励起光３０が、レンズ２８で集光され、第４ミラー３２を透過して利得媒体３４に照射される。利得媒体３４は、励起光３０が照射されると励起光源によって励起されて光３１を誘導放出する。
【００５６】
レーザー発振器２１は、利得媒体３４から誘導放出された光３１が第５ミラー３５、第３ミラー２５、第１ミラー２２、非線形結晶２４、第２ミラー２３、アウトプットカプラ２６、第４ミラー３２、利得媒体３４の順の第１方向（図２中の矢印Ｂの方向）に周回できるようにこれらのミラーなどの位置や向きが調整され、周回光路２９が形成されている。周回光路２９は、光３１が第１方向とは逆方向に、第４ミラー３２、アウトプットカプラ２６、第２ミラー２３、非線形結晶２４、第１ミラー２２、第３ミラー２５、第５ミラー３５、利得媒体３４の順の第２方向（図２中の矢印Ａの方向）にも周回できる。他の構成は、レーザー発振器１と同様である。
【００５７】
利得媒体３４は、周回光路２９を周回する光３１をモードロックする。本変形例の場合、利得媒体３４の中心が第４ミラー３２及び第５ミラー３５間の中心と重なるように配置されているが、利得媒体３４の中心が第４ミラー３２及び第５ミラー３５間の中心と異なる位置になるように配置されていてもよい。第４ミラー３２及び第５ミラー３５として、同じレンズを用いてもよく、曲率半径の異なるレンズを用いてもよい。
【００５８】
このようなレーザー発振器２１では、非線形結晶２４が、非線形結晶２４の中心が第１ミラー２２の焦点及び第２ミラー２３の焦点からずれるように配置されている。本変形例の場合、第１ミラー２２と第２ミラー２３の曲率半径が同じであるので、非線形結晶２４の中心が第１ミラー２２及び第２ミラー２３間の中心（非線形結晶２４の中心の定義は、利得媒体４の中心実施例と同様であり、第１ミラー２２及び第２ミラー２３間の中心の定義は、第１ミラー２及び第２ミラー３間の中心と同様である。）からずれるように配置されている。
【００５９】
よって、レーザー発振器２１は、非線形結晶２４への光の当たり方が第１方向と第２方向とで異なり、非線形結晶２４内の光路長が第１方向と第２方向とで異なるので、周回光路２９の光路長が、光３１が第１方向に周回する場合と、光３１が第２方向に周回する場合とで異なり、繰り返し周波数の異なる２つのパルスレーザーを出射できる。
【００６０】
非線形結晶２４は、本変形例の場合、利得媒体３４と同様の形状に形成されているが、その形状は特に限定されず、例えば、板状形状であってもよい。
【００６１】
また非線形結晶２４は、周回光路２９を第１方向に周回する光３１と周回光路２９を第２方向に周回する光３１とが共にブリュースター角に近い角度で入射できるように配置されている。
【００６２】
レーザー発振器２１は、さらに複数の非線形結晶を有していてもよい。
【００６３】
さらに、本変形例のレーザー発振器２１は、非線形結晶２４を保持し、非線形結晶２４の位置を移動させる周波数差調整部を備え、周波数差調整部によって繰り返し周波数の差を調整するようにしてもよい。
【００６４】
また上記実施形態では、第１ミラー２及び第２ミラー３の曲率半径が等しい場合について説明し、上記変形例では第１ミラー２２及び第２ミラー２３の曲率半径が等しい場合について説明したが、本発明はこれに限られず、第１ミラー２（２２）及び第２ミラー３（２３）の曲率半径が異なっていてもよい。
【００６５】
この場合も、第１ミラー２（２２）及び第２ミラー３（２３）は、第１ミラー２（２２）の焦点及び第２ミラー３（２３）の焦点が重なるように配置され、利得媒体４（非線形結晶２４）は、利得媒体４（非線形結晶２４）の中心が第１ミラー２（２２）の焦点及び第２ミラー３（２３）の焦点と異なるように配置される。
【００６６】
その結果、レーザー発振器１（２１）は、第１方向と第２方向とで、利得媒体４（非線形結晶２４）への光１１（３１）の当たり方が異なり、利得媒体４（非線形結晶２４）内の光路長が異なるので、繰り返し周波数の異なる２つのパルスレーザーを出射できる。
【００６７】
さらに、上記の実施形態では、周波数差調整部１３が利得媒体４を保持して利得媒体４の位置を動かすことで、第１ミラー２の焦点及び第２ミラー３の焦点（第１ミラー２及び第２ミラー３間の中心）と利得媒体４の中心のずれを調整し、第１パルスレーザーと第２パルスレーザーの繰り返し周波数の差を調整した場合について説明したが、本発明はこれに限られない。
【００６８】
例えば、周波数差調整部１３は、第１ミラー２又は第２ミラー３を保持して第１ミラー２又は第２ミラー３の位置を第１ミラー２及び第２ミラー３間の周回光路９に沿って動かすことで、利得媒体４の中心と第１ミラー２の焦点及び第２ミラー３の焦点とのずれを調整して、繰り返し周波数の差を調整してもよい。
【００６９】
また、周波数差調整部１３は、レンズ８を保持してレンズ８を励起光１０に沿って移動させて、レンズ８の焦点を利得媒体４の中心と異なる位置とすることで、繰り返し周波数の差を調整してもよい。この場合、レンズ８の焦点の位置が利得媒体４の中心からずれることで、利得媒体４で誘導放出された光１１と励起光１０との利得媒体４内での重なり合いが、第１方向と第２方向で異なるようになる。そうすると、第１方向と第２方向で光１１のモードロックのされ方が異なるようになり、利得媒体４への光の当たり方が第１方向と第２方向とで異なるようになる。その結果、利得媒体４内の光路長が第１方向と第２方向とで異なる。よって、周波数差調整部１３は、レンズ８を移動させることで、繰り返し周波数の差を調整できる。
【００７０】
さらに、周波数差調整部１３は、第１ミラー２、第２ミラー３、利得媒体４、レンズ８の少なくとも２つ以上を移動させて繰り返し周波数の差を調整してもよい。
【００７１】
この場合、周波数差調整部１３は、第１ミラー２、第２ミラー３、利得媒体４、レンズ８をそれぞれ保持し、これらを別々に移動できる例えばアクチュエータなどの駆動機構で構成される。
【００７２】
（４）レーザー発振器の用途
本実施形態のレーザー発振器１が出射する第１パルスレーザー及び第２パルスレーザーは、約１ＧＨｚ程度の超短パルスレーザーである。超短パルスレーザーは、一般に、繰り返し周波数の間隔で縦モードが並んだ離散スペクトル構造、いわゆる光周波数コムを有する。そして、レーザー発振器１は、同様のスペクトルを有する繰り返し周波数の異なる２つのパルスレーザーを発振することができる。よって、レーザー発振器１は、デュアルコム分光装置のレーザー光源として用いることができる。
【００７３】
図３に示すように、本実施形態のレーザー発振器１を用いる分光装置としてのデュアルコム分光装置４０は、レーザー発振器１と、レーザー発振器１から出射された第１パルスレーザー（図３中に示すＯｕｔｐｕｔＢ）及第２パルスレーザー（図３中に示すＯｕｔｐｕｔＡ）とを重ね合わせて干渉させる光重合部４１と、第１パルスレーザー及び第２パルスレーザーの干渉波を検出する干渉波検出部４３と、検出した干渉波をフーリエ変換するフーリエ変換部４４を備えている。
【００７４】
光重合部４１は、ビームスプリッタ４１ａとミラー４１ｂとを備える。ビームスプリッタ４１ａは第２パルスレーザーの光線上に配置される。ミラー４１ｂは、第１パルスレーザーの光線上に配置され、第１パルスレーザーを反射してビームスプリッタ４１ａに入射させる。ビームスプリッタ４１ａとミラー４１ｂとは、第１パルスレーザーと第２パルスレーザーとが干渉するように向きが調整されている。
【００７５】
本実施形態の場合、ビームスプリッタ４１ａとしてはプレート型ビームスプリッタ（THORLABS社製、型番：BSW11）を用い、ミラー４１ｂとしては平面鏡を用いた。光重合部４１は、第１パルスレーザーと第２パルスレーザーとを干渉できれば、その構成は特に限定されない。
【００７６】
干渉波検出部４３は、光重合部４１から出射した第１パルスレーザーと第２パルスレーザーの干渉波の光線上に配置され、干渉波を検出して電気信号に変換する。本実施形態の場合、干渉波検出部４３としてはSi高速PIN(RF)増幅フォトディテクタ（MenloSystems社製FPD310-FV）を用いたが、干渉波を検出することができれば特に限定されない。
【００７７】
フーリエ変換部４４は、干渉波検出部４３から送出された干渉波の電気信号を受け取り、電気信号に変換された干渉波をフーリエ変換する。フーリエ変換部４４は、ローパスフィルタ４４ａとデジタイザ４４ｂとを備えている。ローパスフィルタ４４ａは干渉波の電気信号に含まれるノイズなどの高周波成分を除去する。デジタイザ４４ｂは、ローパスフィルタ４４ａを通過した干渉波の電気信号をデジタル信号に変換する。
【００７８】
フーリエ変換部４４は、図示しない演算部を備えており、デジタル信号を演算部で処理して、干渉波をフーリエ変換する。
【００７９】
本実施形態の場合、ローパスフィルタ４４ａとしてはMini-Circuits社製BLP-550+を用い、デジタイザ４４ｂとしてはAlazar Tech社製ATS9440を用い、演算部としてはPC（パーソナルコンピュータ）を用いた。干渉波の電気信号はデジタイザ４４ｂでデジタル化され、データとしてPCの記憶装置に保存される。その後、PCの記憶装置に保存した干渉波のデータをPCで処理して、干渉波をフーリエ変換する。フーリエ変換して得られた干渉波の分光スペクトルのデータは、PCの記憶装置に保存される。
【００８０】
フーリエ変換部４４は、干渉波をフーリエ変換することができれば特に限定されず、本実施形態のようにPCなどを用いて演算によりフーリエ変換してもよく、フーリエ変換処理回路のような専用のハードウェアを用いてフーリエ変換してもよい。
【００８１】
フーリエ変換部４４は、分光スペクトルのデータを表示する表示部（本実施形態の場合、図示しないPCのモニタ）を備え、表示部に分光スペクトルを表示してもよい。さらにフーリエ変換部４４は、分光スペクトルのデータを他の機器に送信する送信部を備えていてもよい。
【００８２】
デュアルコム分光装置４０では、測定対象である被検物をレーザー発振器１のアウトプットカプラ６とミラー４１ｂの間に配置し、第１パルスレーザーを被検物に照射する。第１パルスレーザーは、被検物を透過する過程で被検物の吸光特性に応じて周波数特性が変化する。
【００８３】
その結果、被検物を透過した第１パルスレーザーと第２パルスレーザーとの干渉波の周波数特性も被検物の吸光特性に応じて変化するので、干渉波をフーリエ変換して、干渉波の分光スペクトルを得ることで、被検物の吸光特性を解析できる。
【００８４】
なお、被検物をアウトプットカプラ６とビームスプリッタ４１ａの間に配置し、第２パルスレーザーを被検物に照射するようにしても、被検物をビームスプリッタ４１ａと干渉波検出部４３の間に配置し、干渉波を被検物に照射するようにしても、被検物の吸光特性に応じた分光スペクトルを得ることができ、被検物の吸光特性を解析できる。
【００８５】
従来のデュアルコム分光装置は、２つのレーザー発振器と繰り返し周波数安定化機構を用意する必要があったが、レーザー発振器１を用いることで、レーザー発振器１つと繰り返し周波数安定化機構を除去することができ、装置を簡略化でき、小型化できる。
【００８６】
（５）レーザー発振器のその他の用途
本実施形態のレーザー発振器１は、上述のような特性を有するので、繰り返し周波数の異なる２つのパルスレーザーを用いることが必要な装置、例えば、非特許文献２に記載されている光コヒーレンストモグラフィ装置、非特許文献３に記載されている非同期光サンプリング装置、非特許文献４に記載されている長距離絶対距離計測装置、非特許文献５に記載されているＣＷレーザー高速高分解能分光装置などにも用いることができる。レーザー発振器１は、このような繰り返し周波数の異なる２つのパルスレーザーを用いることが必要な装置に用いることで、装置を簡略化でき、小型化できる。
【００８７】
（６）検証試験
（６−１）パルスレーザーのスペクトルについて
本実施形態のレーザー発振器１から発振される第１パルスレーザーと第２パルスレーザーのスペクトルを分光器（Ocean Photonics社製、製品名：LSM-Mini）を用いて測定した。その結果を図４に示す。
【００８８】
図４の横軸は各パルスレーザーの波長を表し、縦軸は各パルスレーザーの各波長の強度（任意単位）を表す。図４中のＯｕｔｐｕｔＡ、ＯｕｔｐｕｔＢは図１中のＯｕｔｐｕｔＡ、ＯｕｔｐｕｔＢとそれぞれ対応しており、図４中の実線は第２パルスレーザーのスペクトルであり、破線は第１パルスレーザーのスペクトルである。
【００８９】
図４に示すように、第１パルスレーザーのスペクトルと第２レーザーのスペクトルは、ほぼ一致しており、レーザー発振器１が同様のスペクトルを有するレーザーを発振できることがわかる。
【００９０】
（６−２）パルスレーザーの繰り返し周波数について
レーザー発振器１から発振される第１パルスレーザーと第２パルスレーザーの繰り返し周波数を周波数カウンタ（Tektronix社製、製品名：FCA3003）を用いて測定した。その結果を図５に示す。
【００９１】
図５Ａは、横軸が時間であり、縦軸が繰り返し周波数であり、各パルスレーザーの繰り返し周波数の経時変化を表している。図５Ｂは、横軸が時間であり、縦軸が繰り返し周波数の差であり、第２パルスレーザーと第１パルスレーザーの繰り返し周波数の差の経時変化を表している。図５中のＯｕｔｐｕｔＡとＯｕｔｐｕｔＢについては図４と同様である。
【００９２】
図５Ａに示すように、第１パルスレーザーの繰り返し周波数と第２パルスレーザーの繰り返し周波数とが異なることがわかる。また、図５Ｂに示すように、第１パルスレーザーと第２パルスレーザーの繰り返し周波数の差は、約４５５Ｈｚ±３Ｈｚ程度で安定している。このように、レーザー発振器１が繰り返し周波数が異なる２つのパルスレーザーを発振できることがわかる。
【００９３】
続いて、厚さ５mm程度のアルミニウムで形成された直方体形状の箱を被せることでレーザー発振器１を覆い、同様に繰り返し周波数を測定した。その結果を図６に示す。図６では、繰り返し周波数が第１パルスレーザー及び第２パルスレーザー共に時間に対して単調減少しているが、これは測定中に室温が変化したためである。
【００９４】
図６の横軸は時間であり、縦軸は繰り返し周波数である。図６Ａは、横軸が時間であり、縦軸が繰り返し周波数であり、各パルスレーザーの繰り返し周波数の経時変化を表している。図６Ｂは、横軸が時間であり、縦軸が繰り返し周波数の差であり、第２パルスレーザーと第１パルスレーザーの繰り返し周波数の差の経時変化を表している。
【００９５】
図６Ａに示すように、第１パルスレーザーと第２パルスレーザーの繰り返し周波数が異なることがわかる。また、図６Ｂに示すように、第１パルスレーザーと第２パルスレーザーの繰り返し周波数の差が約２１６．５５±０.１５Ｈｚと非常に安定していることがわかる。このように、レーザー発振器１を箱で覆うことで、繰り返し数の差がより安定することができることがわかる。よって、レーザー発振器１を箱で覆うことで、繰り返し周波数の差を安定化でき、当該レーザー発振器１を例えばデュアルコム分光装置に用いることで、より精度よく測定できる。
【００９６】
（６−３）２つのパルスレーザーの繰り返し周波数の差について
周波数差調整部１３によって利得媒体４の位置を動かし、その都度レーザー発振器１の２つのパルスレーザーの繰り返し周波数の差を測定した。繰り返し周波数の測定方法は上記と同様である。第２ミラー３及びレンズ８についても同様に位置を動かし、その都度、２つのパルスレーザーの繰り返し周波数の差を測定した。
【００９７】
まず、図１と同じ構成には同じ符号を付した図７Ａに示すように、利得媒体４を第２ミラー３の方向（図７Ａに示す矢印Xcrystalの方向）に移動させ、利得媒体４の中心４ａの位置を第１ミラー２及び第２ミラー３間の中心からずらし、利得媒体４の位置と２つのパルスレーザーの繰り返し周波数の差の関係を調べた。図７Ｂはその結果を示している。
【００９８】
図７Ｂの横軸は利得媒体４の初期位置からの距離を表し、縦軸は２つのパルスレーザーの繰り返し周波数の差を表す。本試験は、利得媒体４の中心４ａと第１ミラー２及び第２ミラー３間の中心がずれた状態を初期位置とした。そのため、初期位置に置いても繰り返し周波数の差が約２１０Ｈｚである。
【００９９】
図７Ｂに示すように、利得媒体４を移動させることでパルスレーザーの繰り返し周波数の差が変化することがわかる。このように、レーザー発振器１は、周波数差調整部１３によって利得媒体４を第１ミラー２及び第２ミラー３間の周回光路９に沿って第１方向又は第２方向に動かすことで、第１パルスレーザーと第２パルスレーザーの繰り返し周波数の差を調整できることがわかる。
【０１００】
次に、図１と同じ構成には同じ符号を付した図８Ａに示すように、周波数差調整部１３によって第２ミラー３を利得媒体４とは反対の方向（図８Ａに示す矢印Xmirrorの方向）に移動させ、第１ミラー２及び第２ミラー３間の中心３ａの位置を利得媒体４の中心からずらし、第２ミラー３の位置と２つのパルスレーザーの繰り返し周波数の差の関係を調べた。図８Ｂはその結果を示している。
【０１０１】
図８Ｂの横軸は第２ミラー３の初期位置からの距離を表し、縦軸は２つのパルスレーザーの繰り返し周波数の差を表す。本試験は、利得媒体４の中心と第１ミラー２及び第２ミラー３間の中心３ａがずれた状態を初期位置とした。そのため、図初期位置に置いても繰り返し周波数の差が約１２０Ｈｚである。
【０１０２】
図８Ｂに示すように、第２ミラー３の位置が変わると２つのパルスレーザーの繰り返し周波数の差が変化することがわかる。このように、レーザー発振器１は、周波数差調整部１３によって第２ミラー３を第１ミラー２及び第２ミラー３間の周回光路９に沿って動かすことで、第１パルスレーザーと第２パルスレーザーの繰り返し周波数の差を調整できることがわかる。
【０１０３】
次に、図１と同じ構成には同じ符号を付した図９Ａに示すように、周波数差調整部１３によってレンズ８を初期位置から第２ミラーの方向に移動させた後、レンズ８を第１ミラー２とは反対の方向（図９Ａに示す矢印Xlensの方向）に移動させ、レンズ８の焦点８ａの位置を利得媒体４の中心からずらし、レンズ８の位置と２つのパルスレーザーの繰り返し周波数の差の関係を調べた。図９Ｂはその結果を示している。
【０１０４】
図９Ｂの横軸はレンズ８の初期位置からの距離を表し、縦軸は２つのパルスレーザーの繰り返し周波数の差を表す。
【０１０５】
図９Ｂに示すように、レンズ８の位置が変わると２つのパルスレーザーの繰り返し周波数の差が変化することがわかる。このように、レーザー発振器１は、周波数差調整部１３によってレンズ８を励起光１０に沿って移動させることで、第１パルスレーザーと第２パルスレーザーの繰り返し周波数の差を調整できることがわかる。
【０１０６】
（６−４）デュアルコム分光装置について
上述のデュアルコム分光装置４０を用いて、被検物を設置しない状態で、分光スペクトルを測定した。また、デュアルコム分光装置４０に用いたレーザー発振器１のパルスレーザーのスペクトルを上記と同様の方法で測定した。その結果を図１０に示す。
【０１０７】
図１０の横軸は波長を表し、縦軸は各波長成分の強度（任意単位）を表す。図１０中に示すＦＴはデュアルコム分光装置４０で測定した分光スペクトルであり、Spectrometerはレーザー発振器１の第１パルスレーザーのスペクトルと第２レーザーのスペクトルの積の平方根である。図１０に示すように、両スペクトルはほぼ一致している。
【０１０８】
被検物を設置しない状態でデュアルコム分光装置４０によって分光スペクトルを測定した場合、分光スペクトルはレーザー発振器１から出射されたパルスレーザーのスペクトルと同様になると考えられる。
【０１０９】
従って、デュアルコム分光装置４０によって、分光測定が正しく測定できることが確認できた。
【符号の説明】
【０１１０】
１    レーザー発振器
２    第１ミラー
３    第２ミラー
４    利得媒体
５    第３ミラー
６    アウトプットカプラ
７    励起光源
８    レンズ
９    周回光路
１３  周波数差調整部
４０  デュアルコム分光装置
４１  光重合部
４３  干渉波検出部
４４  フーリエ変換部
【図１】
2017059683.tif 000003
【図２】
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【図３】
2017059683.tif 000005
【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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