(57)【要約】  パルス光ビームを発生するレーザ発振器であって、パルス光ビームの反射分をレーザ発振器に反射して戻し、レーザ発振器からのパルス光ビームの出力分を結合する出力カップラミラーと、レーザ発振器にパルス光ビームを戻すエンドミラーと、光学経路に沿い出力カップラミラーとエンドミラー間に配置され、パルス光ビームを増幅する利得材と、レーザ発振器のパルスモードロック動作を自己始動する自己始動可飽和吸収体と、パルス光ビームのパルスを１、０００フェムト秒未満のパルス長を有するレーザパルスに成形するパルス成形可飽和吸収体を備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス光ビームを発生するレーザ発振器であって、
前記パルス光ビームの反射分を前記レーザ発振器に反射して戻し、前記レーザ発振器からの前記パルス光ビームの出力分を結合する出力カップラミラーと、
前記レーザ発振器に前記パルス光ビームを戻すエンドミラーと、
光学経路に沿って前記出力カップラミラーと前記エンドミラーとの間に配置され、前記パルス光ビームを増幅する利得材と、
前記レーザ発振器のパルスモードロック動作を自己始動する自己始動可飽和吸収体と、
前記パルス光ビームのパルスを１、０００フェムト秒未満のパルス長を有するレーザパルスに成形するパルス成形可飽和吸収体を備える、レーザ発振器。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ発振器において、
前記自己始動可飽和吸収体および前記パルス成形可飽和吸収体は別個の光素子である、レーザ発振器。
【請求項３】
請求項１に記載のレーザ発振器において、
前記自己始動可飽和吸収体および前記パルス成形可飽和吸収体は同一基材上に集積された別個の層をなす、レーザ発振器。
【請求項４】
請求項１に記載のレーザ発振器において、
前記自己始動可飽和吸収体および前記パルス成形可飽和吸収体は前記エンドミラーと一体化した別個の層をなす、レーザ発振器。
【請求項５】
請求項１に記載のレーザ発振器において、
前記自己始動可飽和吸収体は、１０ｆｓから１００ｎｓ、１００ｆｓから１０ｎｓ、および５００ｆｓから１０ｎｓのいずれかの範囲の自己始動回復時間Ｔssを有する、レーザ発振器。
【請求項６】
請求項１に記載のレーザ発振器において、
前記パルス成形可飽和吸収体は、１ｆｓから１ｐｓ、１０ｆｓから１ｐｓ、および５０ｆｓから５００ｆｓのいずれかの範囲のパルス成形回復時間Ｔpsを有する、レーザ発振器。
【請求項７】
請求項１に記載のレーザ発振器において、
前記パルス成形可飽和吸収体のパルス成形回復時間Ｔpsに対する前記自己始動可飽和吸収体の自己始動回復時間Ｔssの比は、１から１、０００および１０から１００の範囲のうちどちらか一方の範囲内である、レーザ発振器。
【請求項８】
請求項１に記載のレーザ発振器において、
前記自己始動可飽和吸収体および前記パルス成形可飽和吸収体の少なくとも一方は、
半導体可飽和吸収体ミラー（ＳＥＳＡＭ）、ドーピング層セット、半導体量子井戸構造、ガラス原子吸収体、量子ドット、薄膜あるいは有機色素、有機半導体、およびカーボンナノチューブ層の少なくとも一つを備える、レーザ発振器。
【請求項９】
請求項１に記載のレーザ発振器において、
前記自己始動可飽和吸収体は透過モードおよび反射モードのどちらか一方で動作し、
前記パルス成形可飽和吸収体は透過モードおよび反射モードのどちらか一方で動作する、レーザ発振器。
【請求項１０】
請求項１に記載のレーザ発振器において、
前記レーザ発振器は空間的にレーザパワー密度を変え、
前記自己始動可飽和吸収体は、前記パワー密度が前記パルス成形可飽和吸収体の配置位置における前記パワー密度より高くなる位置に配置される、レーザ発振器。
【請求項１１】
請求項１に記載のレーザ発振器において、
前記レーザ発振器は、前記レーザ発振器内で前記パルス光ビームのビーム半径Ｒを空間的に変更し、
前記自己始動可飽和吸収体は、前記ビーム半径ＲがＲ＝Ｒ１を満たす前記レーザ発振器内の第一位置に配置され、
前記パルス成形可飽和吸収体は、前記ビーム半径ＲがＲ＝Ｒ２を満たす前記レーザ発振器内の第二位置に配置され、
この時、Ｒ１はＲ２より小さい、レーザ発振器。
【請求項１２】
請求項１に記載のレーザ発振器において、
前記自己始動可飽和吸収体および前記パルス成形可飽和吸収体は前記エンドミラー内に形成され、
前記エンドミラーは、入射光および反射光から少なくとも１つの節を有する定在波を形成し、
前記パルス成形可飽和吸収体は、前記自己始動可飽和吸収体より前記節の近くに形成される、レーザ発振器。
【請求項１３】
請求項１に記載のレーザ発振器において、
前記自己始動可飽和吸収体の飽和フルエンスに対する前記パルス成形可飽和吸収体の飽和フルエンスの比は、１から１００、２から３０、および３から１０のいずれかの範囲である、レーザ発振器。
【請求項１４】
請求項１に記載のレーザ発振器において、
前記パルス成形可飽和吸収体の飽和フルエンスに対する前記パルス成形可飽和吸収体の光フルエンスの比は、１から１００、２から３０、および３から１０のいずれかの範囲である、レーザ発振器。
【請求項１５】
パルス光ビームを発生するレーザ発振器であって、
前記パルス光ビームの一部を前記レーザ発振器に反射して戻し、前記レーザ発振器からの前記パルス光ビームの一部を結合する出力カップラミラーと、
前記レーザ発振器に前記パルス光ビームを戻すエンドミラー層と、前記レーザ発振器のパルスモードロック動作を自己始動する自己始動可飽和吸収体層と、前記パルス光ビームのパルスを１、０００フェムト秒未満のパルス長を有するレーザパルスに成形するパルス成形可飽和吸収体層を備えた半導体可飽和吸収体ミラー構造と、
光学経路に沿って前記出力カップラミラーと前記半導体可飽和吸収体ミラーとの間に配置され、前記パルス光ビームを増幅する利得材を備える、レーザ発振器。
【請求項１６】
請求項１５に記載のレーザ発振器において、
前記自己始動可飽和吸収体層は、前記半導体可飽和吸収体ミラー構造内の、前記パルス光ビームの強度が前記パルス成形可飽和吸収体層の配置位置より高くなる位置に形成される、レーザ発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本発明は、ＵＳ１３／７３３，９６６（２０１２年１月４日出願）の継続であり、その内容はすべて参照され本書に援用される。
【０００２】
本発明は、レーザ発振器、特に自己始動可能なモードロックレーザ発振器に関する。
【背景技術】
【０００３】
モードロックレーザ発振器において、光パルスが発振器内を往復する間キャビティモードが投入される。本発振器は、異なるキャビティモードの位相同期を行うモードロック部を備え、一連の超短レーザパルス型パルスを発生する。
【０００４】
レーザキャビティの増幅利得、キャビティロス、あるいはモード構造の時間的変更あるいはスペクトル変更を含んだモードロックを実現できる機構は複数ある。本機構は非線形光学的挙動あるいは応答性で大きく分類される。能動型モードロックレーザでは、モードロックプロセスを外部からの能動的介入で制御する。受動型モードロックレーザでは、レーザ自体の動特性がキャビティのパラメータを変更する。レーザの両分類とも、パルス継続時間、平均パワー、ピークパワー、モード品質、動的安定性および自己始動能を含め、動作パラメータおよび発生パルスの出力特性を最終的に決定づける豊富な動的挙動を表す。
【０００５】
モードロック非線形挙動がレーザ発振器の複数の出力特性を制御している時、モードロックレーザの出力特性は通常、設計要件が相反するため、設計上妥協されたものである。相反する要件の例として、レーザ発振器を自己始動させるには非線形光学的挙動を長く活性化させる必要があるが、これに対し、超短レーザパルスを発生するには非線形光学的挙動を短時間のみ活性化させる必要がある。
【０００６】
レーザの設計において、位相同期を行うため非線形機構が異なる２つのモードロック部を備えることで、これらの相反し競合する要件を解決するものがある。例えば、発振器のエンドミラーのいずれか一つあるいは利得材が、キャビティモードの位相に影響を与える非線形機構を呈し、別の吸収体素子が振幅変調することでキャビティモードをモードロックする。上記の競合する設計要件は、特性の異なる時間尺度を有する非線形素子を実現することで解決される。
【０００７】
別の相反する設計要件は、非線形光学的挙動を発生するビーム強度に関する。自己始動機能は低強度のビーム発生を好適とするが、超短パルス型パルスを成形する効果的な方法では高強度のビームが発生する。繰返しになるが、レーザの中にはこれらの設計要件を同時に満たすため、異なる非線形機構による異なる構成部を備えるものがある。
【０００８】
しかし、これらレーザにおける設計上の対立を解決するために非線形素子を２つ使っても問題はある。非線形素子それぞれが複雑でコストがかかる。さらに、効果を得るには費用がかかることがある。例えば、ある設計での位相変調カー・効果により、カー・セル型非線形素子を通過してパルスが伝搬する時パルス変調し、時間的空間的効果が意図せずしかも不所望に複雑に結合する。キャビティ設計時には、この変調を考慮する必要があり、不都合なことに設計がより複雑化する。さらに、自己始動の実現のためにはカー・効果を考慮せずキャビティが安定する必要があり、短モードロックパルスの発生にはカー・効果を考慮して安定する必要がある。これらの要件を満たすことができない場合もある。この設計での動作範囲ではキャビティパラメータの許容値がとても狭い。また、結果的にレーザが環境摂動に対し安定するとは言えない。他の非線形素子でも同等の課題が起こる。
【発明の概要】
【０００９】
本書は、パルス光ビームを発生するレーザ発振器の実施形態をまとめたものである。前記レーザ発振器は、前記パルス光ビームの反射分を前記レーザ発振器に反射して戻し、前記レーザ発振器からの前記パルス光ビームの出力分を結合する出力カップラミラーと、前記レーザ発振器に前記パルス光ビームを戻すエンドミラーと、光学経路に沿い前記出力カップラミラーと前記エンドミラー間に配置され、前記パルス光ビームを増幅する利得材と、前記レーザ発振器のパルスモードロック動作を自己始動する自己始動可飽和吸収体と、前記パルス光ビームのパルスを１、０００フェムト秒（ｆｓ）未満のパルス長を有するレーザパルスに成形するパルス成形可飽和吸収体を備える。
【００１０】
前記レーザ発振器のある実施形態では、前記パルス光ビームの一部を前記レーザ発振器に反射して戻し、前記レーザ発振器からの前記パルス光ビームの一部を結合する出力カップラミラーと、前記レーザ発振器に前記パルス光ビームを戻すエンドミラー層と、前記レーザ発振器のパルスモードロック動作を自己始動する自己始動可飽和吸収体層と、前記パルス光ビームのパルスを１、０００フェムト秒未満のパルス長を有するレーザパルスに成形するパルス成形可飽和吸収体層を備えた半導体可飽和吸収体ミラー構造と、光学経路に沿い前記出力カップラミラーと前記半導体可飽和吸収体ミラー間に配置され、前記パルス光ビームを増幅する利得材を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】可飽和吸収体１１０を備えたレーザ発振器１００を示す図である。
【図２】様々なレーザ発振器の吸収率の時間依存性を示す図である。
【図３Ａ】可飽和吸収体１１２およびカー・セル１１４を備えたレーザ発振器１００を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ａのレーザ発振器の吸収率の時間依存性を示す図である。
【図４Ａ】２つの可飽和吸収体２１２および２１４を備えたレーザ発振器２００の実施例を示す図である。
【図４Ｂ】２つの可飽和吸収体２１２および２１４を備えたレーザ発振器２００の実施例を示す図である。
【図５Ａ】２吸収体型レーザ発振器２００の実施を示す図である。
【図５Ｂ】２吸収体型レーザ発振器２００の実施を示す図である。
【図５Ｃ】２吸収体型レーザ発振器２００の実施を示す図である。
【図５Ｄ】２吸収体型レーザ発振器２００の実施を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は一般的な受動型モードロックレーザ発振器１００を詳細に表している。発振器１００は、発振器１００のレーザキャビティのエンドミラーあるいは反射板となる可飽和吸収体１１０などの非線形素子１１０を備える。また、発振器１００は、出力カップラミラー１２０、レーザ利得材１３０、および小型化のための１以上の折り返しミラー１４０−１、折り返しミラー１４０−２などを備える。レーザ利得材１３０は、１以上のポンピングダイオードによる方式など様々な方式でポンピングされる。ポンピングでは利得材１３０内の電子をより高いエネルギ準位にまで励起し、続いて低いエネルギ準位への転移が誘起され光子を発し、発振器１００のキャビティモードを投入する。用語には、レーザキャビティを特徴づけているエンドミラー１１０および出力カップラミラー１２０の用語を使用することが多い。
【００１３】
最先端の可飽和吸収体１１０は、吸収体として量子井戸構造を備えた半導体可飽和吸収体ミラー、あるいはＳＥＳＡＭＳである。ここでは非線形素子１１０が可飽和吸収体であるとして動作原理を説明しているが、他の実施形態では可飽和利得素子など他の非線形素子を使用することもできる。本非線形素子では、増幅材あるいは吸収材を通過して伝搬する光が原子レベル、分子レベル、あるいは半導体バンド構造の密度を変化させ、その材の利得性、吸収性あるいは反射性を変化させる。
【００１４】
ＳＥＳＡＭ１１０など非線形可飽和吸収体素子１１０は、低強度の入射光は吸収するが、光強度が飽和フルエンスＦsat,aと呼ばれる閾値に達する時飽和し、閾値を超える高強度の光を吸収する吸収性は失われる。この飽和を、可飽和吸収体１１０の活性化とも言う。飽和フルエンスは吸収体材の原子特性、分子特性およびスペクトル特性に依存し、数式  Ｆsat,a＝ｈv／σaで求められる。この数式においてｈv  は光子エネルギであり、σaは吸収体材中央の吸収断面積である。一般的なＦsat,a値は、１０μＪ／ｃｍ2から５００μＪ／ｃｍ2である。吸収体の飽和エネルギＥsat,aは、吸収体の位置における飽和フルエンスＦsat,aおよび実効モード面積Ａeff,aで求められ、Ｅsat, a=Ａeff,a・Ｆsat,aを満たす。同様に、可飽和利得材についても、利得材の飽和フルエンスＦsat,gと飽和エネルギＥsat,gを結び付け、Ｅsat,g＝Ａeff,g・Ｆsat,gを満たす。この時、Ｆsat,g＝  ｈv／σgであり、このσgは利得材中央の利得断面積であり、Ａeff,gは利得材の位置における実効モード面積である。未飽和の吸収体１１０は、光強度が飽和閾値未満であれば例えば入射光の１％から１０％分を吸収する場合がある。しかし、ビーム強度が飽和閾値を超えれば、吸収体１１０は飽和し、その吸収率は１％未満にまで落ちる。
【００１５】
発振器１００およびそのポンピングダイオードが通電されると、キャビティモードとなり、光は可飽和吸収体エンドミラー１１０と出力カップラミラー１２０間を往復し始める。利得材１３０は１往復ごとに１増幅分光を増幅する。ポンピング力が弱くビームフルエンスが低ければ、利得材１３０の増幅分あるいは利得分は可飽和吸収体１１０の吸収分より少なく、発振器１００はレーザ発振を始動しない。ポンピングし利得が増加したとき、増幅分が吸収分を超え、発振器１００はレーザ発振を始動する。ビームフルエンスがＦsat，より充分低い限りにおいては、吸収体は動的作用も非線形作用も動作せず、レーザ発振は連続波モードで動作する。
【００１６】
ポンピングし利得がさらに増加すると、ビームフルエンスはＦsat,aへと上昇する。このフルエンスでは、可飽和吸収体１１０の非線形性が活性化し、動的作用を起こす。この時、発振器１００のキャビティモードの位相がランダムに変動する中、偶発的に構造的に同期され、フルエンスが飽和フルエンス閾値Ｆsat,aを超える高振幅位相同期パルスを生じると、可飽和吸収体１１０の吸収分は減少し、１往復ごとのこの位相同期パルスは利得材１３０により他のビームより強く増幅される。モードロックとも呼ばれる位相同期パルスの選択増幅により、レーザ発振器１００において連続波モードではなくパルス動作が始動する。
【００１７】
出力カップラミラー１２０は、反射作用中は入射レーザパルスの数パーセント分のみ通過させ、発振器１００からレーザパルスを放出するよう設計されている。レーザパルスの反射分は再度往復し、再増幅され出力カップラミラー１２０に戻り、そこで出力カップラミラー１２０は再度レーザパルス分を通過させる。このプロセスが１往復ごとに繰り返されるため、レーザ発振器１００はレーザパルス列を出力することとなる。このプロセスは、レーザ発振器１００におけるモードロック動作の自己始動と言われることが多い。
【００１８】
利得材のガラス、結晶などキャビティ内の材は、波長分散能を有し、その材内部を個々の速度で伝搬するパルスのスペクトル成分を生じさせる。この分散は、不所望にパルスを拡張または分散させ、モードロック閾値を高くする。そのため一般的に、分散プリズムペア、チャープミラーなどの補償素子をキャビティに備え、レーザキャビティ内の光分散を制御する。自己始動機構においても補償素子で補助可能である。
【００１９】
分散性を数値化する有用な方法に「群遅延分散」、ＧＤＤがあり、
【数１】
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で定義されることが多い。この時、λは光波長、ｃは光速度、ｎ（λ）は波長依存性屈折率、Ｌはキャビティ内の光学経路長さである。光素子１１０から１４０のＧＤＤおよび発振器１００にある他の光素子のＧＤＤのいずれも、測定などにより特定でき、設計から推測もできる。ＧＤＤを把握した上で、分散制御装置は発振器１００の光素子の特定されたＧＤＤに略等しい値およびその逆の値をＧＤＤとしてキャビティ内で動作させる。このように設計されたキャビティでは、パルスが往復する間分散は殆どあるいは全く起こらず、上記の問題もなくレーザ発振器としての利用価値が高まる。
【００２０】
分散補償では、非線形効果で起こる時変光位相変化によってパルスがさらに分散するのを防ぐ。キャビティが効果的に補償され、分散および非線形効果による時間的パルス分散が最小限に抑えられている時、キャビティ内のレーザパルスはソリトンと呼ばれ、レーザはソリトンモードロック状態で動作していると言う。
【００２１】
図２は、可飽和吸収体１１０の活性化状態の遷移を表す。まず、活性化あるいはオープン状態になり、可飽和吸収体１１０の吸収率は短時間透明色値近くまで落ち、可飽和吸収体回復時間をかけて光を吸収できるレベルまで回復する。
【００２２】
本受動型モードロックレーザ発振器１００の設計には、２つの設計要件がある。発振器１００は、モードロック動作を自己始動できることと、出力パルスを超短高強度レーザパルス型に成形できることが求められている。これらの要件は相反しかつ競合する。一方で、可飽和吸収体１１０が充分長い自己始動時間Ｔｓｓの間オープン状態で、周期が異なる非同期キャビティモードが偶発的に列となり、その列による小変動を強パルスに増幅できれば、発振器は自己始動できる。自己始動に必要な可飽和吸収体回復時間Ｔｓｓは、複数ある材特性に依存し、広く様々である。曲線（ａ）は、一般的なＴｓｓ値が数十フェムト秒（ｆｓ）から数十あるいは数百ナノ秒の範囲におよび、例えば１０ｆｓから１００ｎｓの範囲、時には１００ｆｓから１０ｎｓの範囲、さらに５００ｆｓから１０ｎｓの範囲になることを示している。
【００２３】
他方、可飽和吸収体１１０の可飽和吸収体回復時間が長くなるほど、増幅パルスは長くなる。そのため、第二の設計要件としては数十フェムト秒範囲のパルスなど、超短パルス型パルスの成形が要求され、同じく可飽和吸収体回復時間を超短パルス型パルスの成形ができるようパルス成形時間Ｔpsを充分短くすることが必要となる。曲線（ｂ）は、一般的なパルス成形時間Ｔps値が１ｆｓから１ｎｓの範囲であり、時には１０ｆｓから１ｎｓの範囲、さらには５０ｆｓから５００ｆｓの範囲に収まることを示す。
【００２４】
さらに、レーザキャビティは、パルスがキャビティ内を何度も往復する間、比較的長い時間尺度内に要求されるパルス立ち上げの動的挙動を果たす必要がある。レーザがこの時間安定している場合、レーザはいわゆるｃｗモードロック状態でモードロックパルスの「継続波」列を出射する。動態がこの立ち上げ尺度内において不安定であれば、結果、ｑスイッチ強度包絡線での短モードロックパルス、あるいはよりランダムな包絡線でのパルスを有する周期配列型ジャイアントｑスイッチパルスになる。そのようなｑスイッチモードロック（ＱＭＬ）状態でレーザを動作させると、レーザ光成分を破壊する可能性がある。そのため、レーザパルスを後続の増幅器に出射するときなどでは、ｃｗモードロック状態での動作が望まれることが多い。
【００２５】
繰返しになるが、可飽和吸収体の設計には相反する設計要件がある。今回は、非線形性が活性化する振幅閾値において、吸収体をオープン状態にする。モードロック超短パルスを発生するためには、可飽和吸収体１１０を高強度でオープンにする必要がある。設計では、偶発的に成形されたパルスのピーク付近のみを選択してさらに増幅し、超短パルスを成形する。完璧を期すため、超短高強度パルスを発生できるよう利得飽和およびカー・レンジングを吸収性と同調させることが多い。
【００２６】
残念ながら、閾値相当の高振幅では不要なｑスイッチングを引き起こしやすくなる。しかしながらこれら競合要件は、ｑスイッチングすることなくｃｗモードロックできるパラメータ制限範囲外にある。カーレンズ調節を行わずにＱＭＬに対し安定性を実現するため、以下を満たすよう吸収性および利得飽和性を調整する。
【数２】
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【００２７】
この時ｑp（Ｅp）は、キャビティ内においてキャビティ内パルスエネルギＥpを持つ所定のモードロックパルスの、可飽和吸収体によるパルスエネルギの往復ロスを表す。Ｅstはパルスエネルギの定常値、ＴRはキャビティの往復時間、τLは利得媒質の良好状態の寿命を示す。この式は、キャビティ内小パワーに対し、モードロック状態でパルスエネルギを指数関数的に大きくし続けるためには、飽和によるロスの減少を利得の減少より大きくする必要があることを表す。しかしながら、ロスの減少は記載したとおり所定のキャビティ内エネルギ以上で、上記の式におけるロスの導関数の限定範囲に限られる。この点から、利得はロス減少より速く減少し、レーザパルスはさらに成長するのをやめ、発振およびｑスイッチングを回避する。上記式において、ｑp（Ｅp）はすべての可飽和ロスを表す。例えば、キャビティ内に２つの吸収体がある場合、ｑp（Ｅp）は個々の吸収体のロス分の合計であり、ｑp＝ｑp1＋ｑp2である。
【００２８】
結論として、パルス成形と自己始動は、回復時間において相反要件であり、パルス成形とＱＭＬ安定性は、飽和フルエンスにおいて相反要件となる。これら相反する要件を満たすには、可飽和吸収体１１０などの非線形素子を１つ使用した受動型モードロックレーザ発振器の設計に大きな課題が残る。
【００２９】
図３Ａは、上記のようなこれら対立する設計要件を満足させるために、レーザ発振器１００が低速非線形素子１１２と高速非線形素子１１４の２種の非線形素子を備える例を表している。例えば、低速非線形素子を可飽和吸収体１１２とし、高速非線形素子をカー・セル１１４とする。カー・セルはキャビティ内では別個の素子とするか、利得材１３０が屈折率を非線形変化させる。発振器１００内の他の素子は、前述の素子と同様、出力カップラミラー１２０、利得材１３０、および折り返しミラー１４０−１／１４０−２である。
【００３０】
図３Ｂは、本設計における吸収性の時間依存性が複雑であることを表す。光強度が変動により閾値を超えると、低速非線形素子１１２は、回復時間ＴSSが充分に長い限り吸収性が落ち発振器１００を自己始動させることができる。高速非線形素子１１４は、この遅い回復曲線に対し、超短パルス型パルスを成形するため短い回復時間ＴPSの高速回復プロセスを重ねあわせる。
【００３１】
しかしながら、上記設計では少なくとも次の問題がある。（ａ）２つの非線形素子の使用には費用がかさむ。（ｂ）小さな発振器キャビティスペース内に素子を２つ配置することは重大な問題であり簡単ではない。（ｃ）素子を２つ使用するには複雑な製造工程が必要となる。（ｄ）２つの素子それぞれに調整と校正が必要になる。（ｅ）意図せざる影響が２倍となり、さらなる補償が必要となる。最後の問題（ｅ）の原因は主に、低速非線形素子１１２と高速非線形素子１１４では、位相を変調するカー・効果と振幅を変調するＳＥＳＡＭなど、一般的に動作モードが異なることにある。動作モードが異なることで、異なるタイプの意図しない問題をもたらす。例えば、上記のように、カー・効果では、パルスが非線形素子を通過して伝搬する時パルスを変調し、時間的空間的効果が不要に複雑に結合してしまう。この変調に対し、キャビティ内にダイナミックレンズを追加挿入し、より複雑な設計にするなど、補正が必要になる。
【００３２】
図４Ａは、上記の相反する設計課題に対し、単純な解決策を供した実施形態を表す。１つの実施形態では、パルス光ビームを増幅するレーザ発振器２００は、前記同様の以下の素子を備える。レーザ発振器２００にパルス光ビームを戻すエンドミラー２１０、パルス光ビームの反射分を反射しレーザ発振器に戻し、レーザ発振器２００からのパルス光ビーム出力分を結合する出力カップラミラー２２０、光学経路に沿いエンドミラー２１０と出力カップラミラー２２０間に配置され、光ビームを増幅するレーザ利得材２３０である。また、狭小空間動作用の発振器２００では、２４０−１および２４０−２などの折り返しミラーを１以上備える。
【００３３】
さらに、発振器２００は、２つの非線形素子２１２および２１４を備え、一方はモードロック自己始動要件に最適化され、もう一方は超短パルス成形要件に最適化される。発振器１００と比較すると、発振器２００の実施形態では、非線形素子２１２と２１４のどちらも可飽和吸収体であるなど、同じ動作原理で作動する。
【００３４】
ある発振器２００では、自己始動可飽和吸収体２１２およびパルス成形可飽和吸収体２１４は別個の光素子である。またある発振器２００では、自己始動可飽和吸収体２１２およびパルス成形可飽和吸収体２１４が、同じエンドミラー２１０内に一体化された別個の層をなす。いずれの場合も、吸収体２１２および２１４の材パラメータおよび位置は、各機能を最適化するよう選択される。
【００３５】
その最適化では、自己始動可飽和吸収体２１２およびパルス成形可飽和吸収体２１４の回復時間とフルエンス閾値を適切に選択する。自己始動可飽和吸収体２１２の自己始動回復時間Ｔssは、１０ｆｓから１００ｎｓ、１００ｆｓから１０ｎｓ、あるいは５００ｆｓから１０ｎｓの範囲である。パルス成形可飽和吸収体２１４のパルス成形回復時間Ｔpsは、１ｆｓから１ｐｓ、１０ｆｓから１ｐｓ、あるいは５０ｆｓから５００ｆｓの範囲である。よって、場合により、パルス成形回復時間Ｔpsは自己始動回復時間Ｔssより１から１、０００倍短くなる。別の実施形態では、Ｔpsは、自己始動回復時間Ｔssの１０から１００倍短くなる場合もある。フルエンス閾値の適切な範囲は後述する。
【００３６】
自己始動可飽和吸収体２１２およびパルス成形可飽和吸収体２１４のいずれも透過モードでも反射モードでも作動する。
【００３７】
同一動作原理で動作する非線形素子２１２および２１４のペアを備える発振器２００は、次に示す方法により前に挙げた設計課題に対応する。（ａ）同一の半導体結晶内の別個の層として一体化する方法で形成する時、同一原理の非線形素子のペアを使いコストを抑える。（ｂ）同様に、同一原理の２つの非線形素子を使用すると、特に一体型実施形態において省スペース化できる。（ｃ）同一動作原理を基に、非線形素子２１２および２１４でのジョイント製造が可能で、より簡単となる。（ｄ）同一原理の２つの非線形素子２１２および２１４では、校正がより容易になる。最終ポイント（ｅ）として、同一原理の２つの非線形素子２１２および２１４は同一の原理を基に動作するので、不所望の問題や効果に対する異なる２つの補償機構は必要ない。
【００３８】
特に最終ポイント（ｅ）を強調するが、非線形素子１１０あるいは非線形素子１１２と１１４の少なくともいずれか一方がカー・効果を基に動作するレーザ発振器１００において、材屈折率は、時間的空間的効果が複雑に結合し、光強度の関数として変調される。屈折率は、パルスが非線形材を通過して伝搬する時時間的に変調される。この変調での問題の一つに、強度の高いパルス中央部分が「両翼」に比べ位相変調が強くなりビームが歪み、伝搬方向に垂直なパルスの空間的プロファイルが空間的に歪む。この効果は自己集束とも言う。このタイプのレーザキャビティの設計には細心の注意が必要で、実装には高い精度が求められる。このレーザキャビティではアパ―チャなどのキャビティ内空間フィルタが使用されることが多く、キャビティ全体は目的の短パルスモードを優先し、非モードロックモードおよび長パルスモードをひかえる。前述したように、補償素子が必要となれば、設計が複雑化し、レーザキャビティの微調整が必要となり、さらにはレーザビームの安定化と高度な空間的モードプロファイルを実現する必要がある。また、カー・セルは一般的にフルエンス閾値が高く、比較的長いピコ秒パルスで動作するのは難しい。
【００３９】
このような複雑さのため、発振器２００の実施形態では、非線形素子２１２および２１４の共有動作原理として可飽和吸収体を使用する。本発振器２００では、可飽和吸収体が主に光振幅に作用し、光位相を大きく変調することがないので、カー・セルではなく可飽和吸収体２１２および２１４を採用する。共有原理として可飽和吸収体を使用することで、発振器２００にトランスバーサルモード用制御機構を実現する必要がなくなる。
【００４０】
同一動作原理の効率的な実行方法の一つに、同一半導体など、同一材で可飽和吸収体２１２および２１４を形成する方法がある。
【００４１】
発振器の実施形態では、共有動作原理として可飽和吸収体ではなく可飽和利得を使用してもよく、２つの利得素子を使用してもよい。
【００４２】
同一原理の実施形態であっても、上記の設計課題に対応する必要がある。可飽和吸収体２１２および２１４が同一半導体内に形成された場合、自己始動可飽和吸収体２１２は、ビームの小ランダム変動を増幅することで発振器２００を始動させることができるよう半導体のフルエンス閾値を下げ、パルス成形可飽和吸収体２１４は、パルスピークのみを選択し増幅し可能な限りパルスを短くできるよう、フルエンス閾値を高くする。
【００４３】
図４Ａは、自己始動可飽和吸収体２１２およびパルス成形可飽和吸収体２１４の透過型実施形態を表す。図４Ｂは、自己始動可飽和吸収体２１２およびパルス成形可飽和吸収体２１４の反射型実施形態を表す。本発振器２００では、追加で折り返しミラー２４０−３および２４０−４を使用する場合もある。
【００４４】
図５Ａから５Ｃは、２つの可飽和吸収体に対し異なる強度のビームをあて、相反するこれら設計要件に対応した発振器２００の実施形態を表し、図５Ｄは下記のように、２つの可飽和吸収体のフルエンス閾値を変更した他の実施形態を表す。
【００４５】
図５Ａの発振器２００は、例えば集束折り返しミラー２４０を、可能であればビームエクスパンダとの組合せで使用し、焦点ＦＳにレーザビームを集束させる。発振器２００における関連部のみを明示する。焦点ＦＳに対する可飽和吸収体２１２および２１４の異なる位置に配置することで、吸収体がそれぞれ受けるビーム強度を制御する効果的な方法とする。それは、集束により焦点ＦＳを中心にビーム半径の縮小が起こり、そこでビーム強度（面積当たりのビームエネルギ）の増加が起こることによる。ビーム拡散、再集束は、様々な他の屈折素子あるいは反射素子を備えることでも可能である。
【００４６】
発振器２００の本実施形態において、自己始動可飽和吸収体２１２は、ビームが最小半径に集束する焦点ＦＳ近くに配置される。そのため、発振器２００を通電した後、光が変動し始めると、まず、変動ビーム強度あるいはフルエンスが自己始動可飽和吸収体２１２の位置近くにある焦点ＦＳで閾値を超える。それに応じ、自己始動可飽和吸収体２１２が活性化し、往復する間、変動は増幅される。自己始動可飽和吸収体２１２の回復時間ＴSSが充分長いので、変動が増幅され発振器２００は自己始動する。
【００４７】
この時パルス成形可飽和吸収体２１４は自己始動可飽和吸収体２１２より焦点ＦＳから離れた位置にあるので、その位置では同じビームでもビーム半径が大きく、そのためパルス成形可飽和吸収体２１４でのビーム強度は自己始動可飽和吸収体２１２での強度より低い。このため、同一半導体で形成され同一のフルエンス閾値あるいは強度を持つ場合、自己始動可飽和吸収体２１２を活性化させた同一の変動でも、パルス成形可飽和吸収体２１４は活性化しない。自己始動可飽和吸収体２１２が発振器２００を始動させ、モードロックパルスが数回の往復の後ますます増幅し、やがてパルス成形可飽和吸収体２１４の位置でもパルス強度がフルエンス閾値を超え、活性化あるいはオープン状態になる。パルス成形可飽和吸収体２１４も活性化すると、パルス狭窄が始まり、超短パルス型パルスを成形する。
【００４８】
図５Ａの設計の別の方法として、発振器２００は発振器内の光学経路に沿いパルス光ビームのビーム半径Ｒを空間的に変更することができる。自己始動可飽和吸収体２１２は、ビーム半径がＲ１となる発振器２００内の第一位置に配置され、パルス成形可飽和吸収体２１４は、ビーム半径がＲ２であり、Ｒ１がＲ２より小さくなる発振器２００内の第二位置に配置される。
【００４９】
図５Ｂは発振器２００の別の一体型実施形態を表し、自己始動可飽和吸収体２１２およびパルス成形可飽和吸収体２１４が同種の半導体で形成されているだけでなく、実際には同一半導体結晶内、エンドミラー２１０の基材２１６上に形成されている。反射型可飽和吸収体の設計では、エンドミラー２１０のミラー層２１８は入射光ビームおよび反射光ビームから定在波を形成する。図５Ａの実施形態の設計原理と同様に、自己始動可飽和吸収体２１２は定在波の節から離れた層などビーム強度が高い層として形成され、パルス成形可飽和吸収体２１４は定在波の節の近くなどビーム強度が低い位置に形成される。前記同様、変動が偶発的に生じる設計で、まず、光強度が自己始動可飽和吸収体２１２においてフルエンス閾値を超え活性化し、発振器２００を自己始動させる。パルスが往復する間増幅されるにつれ、ビーム強度はパルス成形可飽和吸収体２１４が位置する定在波の節領域付近で閾値に達し、パルス成形可飽和吸収体２１４を活性化させる。活性化されると、パルス成形可飽和吸収体２１４は超短パルス型パルスを成形する。
【００５０】
本構造では、量子井戸厚さを光波長に比べ遥かに小さく高精度に制御でき、層の成長条件も良好に制御可能なため、可飽和吸収体層は効率よく量子井戸設計を使い形成、配置される。
【００５１】
２つの可飽和吸収体層が同一半導体内に形成される本一体型実施形態では、層は順次成長するため、自己始動可飽和吸収体層およびパルス成形可飽和吸収体層に対し異なる成長条件を適用する。本設計では、可飽和吸収体２１２および２１４に対し異なる飽和フルエンスおよび回復時間とすることができる。
【００５２】
図５Ｃは、図５Ｂの一体型エンドミラー２１０を備える発振器２００を表しており、自己始動可飽和吸収層２１２は光の定在波の節から離れた光の最大定在波に近くに位置し、パルス成形可飽和吸収体層２１４は光の定在波の節近くに位置する。
【００５３】
次に、フリースペースレーザ発振器２００の様々な実施形態を説明する。眼科手術で増幅パルスが使われる場合、レーザ発振器２００はチャープパルス増幅（ＣＰＡ）レーザ用にシードレーザとして使用される。眼科手術用レーザ用として、Ｎｄドープ結晶、Ｙｂドープ結晶、あるいはガラスの使用が良好な近赤外線波長が有用である。レーザ波長は１０３０ｎｍから１０７０ｎｍの範囲である。発振器パルスが増幅器内で順次増幅されている時には、発振器からのパワーはそれほど重要ではない。このため、平均パワーは比較的低い１０ｍＷから２５０ｍＷで、パルス継続時間は１ｆｓから１、０００ｆｓの範囲、あるいは１５０ｆｓから５００ｆｓの範囲、繰返し率は１ＭＨｚから１、０００ＭＨｚの範囲、あるいは４０ＭＨｚから１５０ＭＨｚの範囲である。本パワーレベル、パルス継続時間、繰返し率であれば、Ｎｄ利得材やＹｂ利得材を使って小型光学機構に実現可能である。例えば、平均パワー１００ｍＷ、パルス継続時間３００ｆｓ、繰返し率１００ＭＨｚ、出力結合、非飽和損失が５％のレーザでは、キャビティ内平均パワーは２Ｗ、あるいはピークパワーが約６ｋＷでパルス当たりエネルギ２０ｎＪとなる。
【００５４】
キャビティ長が１．５ｍ、結晶周辺に平坦出力カプラミラーおよび集束ミラー、および曲率半径０．１ｍのＳＥＳＡＭを備えると、モードエリアは結晶内およびＳＥＳＡＭにおいて８００平方マイクロメータであり、光フルエンスは約２、４００μＪ／ｃｍ２となる。Ｑスイッチングを回避するため、パルス成形可飽和吸収体２１４は、パルス成形可飽和吸収体２１４の飽和フルエンスの３から１０倍、２から３０倍、あるいは１から１００倍の光フルエンスあるいは動作フルエンスで動作する。そのため、パルス成形可飽和吸収体２１４の飽和フルエンスの設計値を２０μＪ／ｃｍ2から２、０００μＪ／ｃｍ2、８０μＪ／ｃｍ2から１、２００μＪ／ｃｍ2、あるいは２００μＪ／ｃｍ2から８００μＪ／ｃｍ2の範囲に設定する。
【００５５】
発振器２００は、特にソリトンモードロック時、吸収体の回復時間の１０倍までパルスを短くできるので、パルス成形可飽和吸収体の回復時間は約１ピコ秒から１０ピコ秒、時に約３ｐｓとなる。
【００５６】
確実にモードロック動作を開始するため、自己始動可飽和吸収体２１２は、疑似ランダムパルススパイクを発生させるレーザモードを「事前構成」し、パルス成形吸収体２１４を活性化させることができる。これは、パルス成形吸収体２１４の回復時間の時間窓内のパルススパイクエネルギ含有量が、パルス成形吸収体２１４の飽和エネルギに対し明白な割合となる場合可能である。例えば、自己始動吸収体２１２の飽和エネルギの５倍でパルス成形吸収体２１４の飽和エネルギの１／１０にするためには、自己始動吸収体２１２の飽和フルエンスが、パルス成形吸収体２１４の５*１０＝５０で５０倍低ければよい。パルス成形吸収体２１４が上記数値範囲であれば、この約５０倍という係数から、自己始動吸収体２１２の飽和フルエンス範囲が約０．５μＪ／ｃｍ2から４０μＪ／ｃｍ2、２μＪ／ｃｍ2から２５μＪ／ｃｍ2、あるいは４μＪ／ｃｍ2から１５μＪ／ｃｍ2と解釈できる。様々な実施形態において、自己始動可飽和吸収体２１２の飽和フルエンスに対するパルス成形可飽和吸収体２１４の飽和フルエンスの比は、１から１００、２から３０、および３から１０の範囲であり、さらに自己始動可飽和吸収体２１２の飽和フルエンス範囲を定める。
【００５７】
自己始動吸収体２１２の回復時間は、目的とする始動パルススパイクあるいはパルス成形吸収体２１４の回復時間より例えば一桁長く、１０ｐｓから１００ｐｓの範囲の例えば３０ｐｓである。
【００５８】
回復時間が長ければ、吸収体の飽和フルエンスが下がり、吸収体内の励起が高エネルギ準位で長く続き、高準位でより多くのエネルギを蓄え、緩和した励起を再び高準位に引き上げる必要がない。これは、低飽和フルエンス長回復時間型自己始動吸収体２１２の設計には有用である。また、ターンオン過渡後、自己始動吸収体２１２は全開状態で飽和の１０から１００倍、例えば飽和の５０倍のフルエンスで動作する。この深飽和はＱスイッチングの不安定さの回避にも役立つ。
【００５９】
２つの吸収体の飽和フルエンスの係数の違いが１０から１００であれば、２つに分けられる。５０倍を例にとれば、係数１０は自己始動吸収体２１２とパルス成形吸収体２１４の材特性およびスペクトル性質の違いによる。残る係数５は、一体型層状ＳＥＳＡＭエンドミラー２１０内の定在波パターンの節に対する吸収体２１２および２１４の位置の違いによる。
【００６０】
図５Ｄは発振器２００のまた別の実施形態を表し、ビーム強度が異なる位置に可飽和吸収体２１２および２１４を配置するのではなく、異なるフルエンス閾値あるいは飽和閾値を使って形成されている。この実施形態においては、吸収体が類似あるいは同一のビーム強度を受けても、閾値が異なるので異なるビーム強度あるいはフルエンスで活性化される。別の実施形態と同様、発振器２００において自己始動可飽和吸収体２１２がパルス成形可飽和吸収体２１４の飽和閾値より低い飽和閾値で形成されている場合がある。その発振器２００において、まず、変動が自己始動可飽和吸収体２１２を活性化し、緩和時間Ｔssの時間、パルス増幅を開始する。パルスが何度も往復する間パルス振幅が増幅され、パルス成形可飽和吸収体２１４の飽和閾値に達し、活性化する。活性化したパルス成形可飽和吸収体２１４は超短パルス型パルスを成形する。図５Ｄの実施形態において、パルス成形可飽和吸収体はエンドミラー２１０としても機能する。
【００６１】
発振器２００の実施形態の一つに、異なる材で可飽和吸収体２１２および２１４を形成し、異なるフルエンス閾値あるいは飽和フルエンスを実現しているものがある。その材として、ＳＥＳＡＭのバルク半導体吸収体、ガラスあるいは結晶原子吸収体、半導体量子井戸、量子ドット、ドーピング層構造、有機色薄膜、有機半導体、カーボンナノチューブ層、などがある。
【００６２】
他の実施形態として、可飽和吸収体層２１２および２１４を類似材で形成するが、そのスペクトル性質を変更あるいは修正する。例えば、吸収体の量子井戸の層厚さを変更して吸収体のピークが変えられるよう、下地半導体結晶の吸収スペクトルを修正する。
【００６３】
ここで量子井戸とは、電子、正孔、励起子、ポラロンなど主物質の量子励起波長と幾何学的に同等な二次元ナノ構造体のことである。量子井戸分光法は、構造、組成物、欠陥あるいはドーパント濃度、イオン注入、および成長条件の違いで起こる層内応力を変えることで変更できる。量子井戸構造のスペクトル性質も、目的とする飽和フルエンス、および吸収回復時間あるいは緩和時間を達成するよう、異なる成長条件、欠陥レベル、ドーパントレベル、およびイオン注入条件を適用し、別の成長構造を採用することで、調整変更可能である。
【００６４】
色素あるいは有機半導体を使用する可飽和吸収体の実施形態では、化学組成を少し変更することでスペクトル性質をカスタム調整できる。別の吸収体の実施形態では、ガラスあるいは結晶など主物質によって埋込み原子分光法を変更できる。また、回復時間ＴｓｓおよびＴｐｓ、および飽和フルエンスあるいはフルエンス閾値も、色素および有機半導体内の分子間相互作用を操作してカスタム適合させることができる。
【００６５】
動作原理をフリースペース上で論証したが、同原理をファイバ発振器でも実行できる。例えば、レーザ発振器２００をダイオードポンピング式ファイバ発振器２００にする。発振器は、単一ポンピング式ダイオード、あるいは多種多様な他のダイオードおよびダイオード構造で、例えばダイオードバンク、ダイオード群などを備えてもよい。ファイバ発振器はフリースペース発振器に比べかなり小さく、緻密な調整、校正の必要性も少ない。手術室でのスペースが制約される外科用においては、レーザ発振器２００を空間的に縮小する設計は、高く評価される。
【００６６】
ある実施例において、発振器２００は、ファイバブラッグ格子、周波数安定ポンプダイオードなど分散制御素子を備え、ダイオード内に体積型ブラッグ格子など周波数安定棒を含むことで、動的挙動およびパルス品質を構造上さらに向上できる。このようなレーザは、低ノイズでパルス間安定性が高いパルスを出射する。ファイバは、ＮｄあるいはＹｂでドープされたガラスで形成されてもよい。
【００６７】
全体として、レーザ発振器２００は、ガウシアン形状など本質的には限定変換種パルスを出力する。実施例では、フラットトップパルスが発生されてもよい。パルス継続時間は１、０００ｆｓ未満となる。他の実施では、パルス継続時間が１０ｆｓから１、０００ｆｓの範囲、また他の実施形態では１００ｆｓから５００ｆｓの範囲でもよい。パルス周波数あるいは繰返し率は１ＭＨｚから１、０００ＭＨｚの範囲で、他の実施形態では１０ＭＨｚから１００ＭＨｚの範囲でもよい。パルスビームパワーは、１０ｍＷから１、０００ｍＷの範囲で、他の実施形態では１００ｍＷから２００ｍＷの範囲でもよい。
【００６８】
最後に、ここに記述したレーザ発振器２００が広く適用される例に、Ｑスイッチチャープパルス増幅（ＣＰＡ）レーザにおける種パルス源としての使用がある。
【００６９】
本書は特性を多く含むが、発明あるいは請求の範囲はこれに限らず、本発明の特定の実施形態に特有な特徴の記述であると解釈すべきものである。別の実施形態にて本書に記述した特徴を組み合わせて一つの実施形態として実施してもよい。また、一つの実施形態にて記述した様々な特徴は、個別に複数の実施形態で実施してもよく、あるいは適宜サブ的に組み合わせて実施してもよい。さらに、特徴は所定の組合せで動作すると前に記載され、あるいは当初そう請求されているかもしれないが、請求された組合せでの１以上の特徴は、その組合せから削除されることもあり、請求された組合せがサブ的組合せ、あるいはサブ的組合せの変形であるとしてもよい。
【図１】
2016502290.tif 000005
【図２】
2016502290.tif 000006
【図３Ａ】
2016502290.tif 000007
【図３Ｂ】
2016502290.tif 000008
【図４Ａ】
2016502290.tif 000009
【図４Ｂ】
2016502290.tif 000010
【図５Ａ】
2016502290.tif 000011
【図５Ｂ】
2016502290.tif 000012
【図５Ｃ】
2016502290.tif 000013
【図５Ｄ】
2016502290.tif 000014
【国際調査報告】
2016502290.tif 000015