(57)【要約】【課題】光学部品に、最適な共振器のために必要な特性を与える。【解決手段】本発明の光学部品は、飽和可能に吸収を行なう層を有する飽和可能な吸収体として作用する多層に位相連結された、“エタロンのない”コーティングアンサンブルを有する。本発明による光学部品において、分離した個々の個別的な光学要素は、サンドイッチ状に組み立てられるのではなく、コーティングアンサンブルが提供され、ここにおいてそれぞれ個々の層は、アンサンブルの残りとともに入射するビームのための位相に関する総合特性に貢献する。この構成形式及びそれにより得られる計算形式によってのみ、飽和可能に吸収する特性を有する１つ又は複数の層を、最適な、ここでは飽和可能に吸収する作用が達成できるように、位相に関する関係を考慮してアンサンブル内に配置できる。【選択図】図６
2009277676.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ共振器内においてレーザパルスを発生させるために使用可能な、レーザビームに対して所定の反射率を有する光学部品を製造する方法であって、
まず前記光学部品の表面に取付けるべきコーティングアンサンブル（１；４２；５３，５５，５６，５７；５３，５５，６０，６１；５３，５５，６３，６４；５３，５５，６７，６８；５３，５５，６０，７０；１１５）の構成が決められ、
前記コーティングアンサンブルは、第１の層及び第２の層（１１，１３；３３，３４；５３，５５；７３，７４）と、前記レーザビームに対して飽和可能に吸収を行なう材料を含む少なくとも１つの第３の層（６，３９，５７，６１，６３，６８，７０，７５）と、からなり、
前記コーティングアンサンブルは、交互に連続する前記第１の層及び前記第２の層を有し、前記第１の層及び前記第２の層それぞれの厚さは、前記レーザビームの１／４波長に相当し、交互に連続する前記第１の層及び前記第２の層は、異なった屈折率を有し、
前記コーティングアンサンブルは、交互に連続する前記第１の層及び前記第２の層に取付けられ、少なくとも１つの前記第３の層を含む多層体を更に備え、前記多層体は、前記レーザビームの１／４波長の厚さを有する複数の層が交互に連続する多層体とは異なり、
前記光学部品は、２つのカバー要素の間に飽和可能に吸収を行う材料を配したサンドイッチ状の構造を有さず、ここで、前記２つのカバー要素は両方ともミラーとしての要素であるか、１つのミラーとしての要素及び１つの反射防止コーティングであり、
前記光学部品の表面にある前記コーティングアンサンブル（１；４２；５３，５５，５６，５７；５３，５５，６０，６１；５３，５５，６３，６４；５３，５５，６７，６８；５３，５５，６０，７０；１１５）による所定の反射率が得られるように、また、少なくとも１つの前記第３の層において入射すべき前記レーザビームに対する所定の正規化されたビーム強度値が得られるように、前記第１の層及び前記第２の層の層厚さ及び場所と、前記飽和可能に吸収を行なう材料を含む１つ又は複数の前記第３の層の層厚さ及び場所とが、計算により決められ、
その際、それぞれのビーム強度値が、前記レーザ共振器（２０，２３，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂ；４３，４５．４７，５０ａ，５０ｂ；１００，９９，１０２，１０３，１０４，１０５；１０７，１０８，１０９，１１０，１１１，１１２；１１５，１１７，１１９）内に前記レーザパルスを発生させるための飽和可能に吸収する所望の作用を引起こすように選定されており、
かつ前記計算にしたがって、所定の構成に相当する前記コーティングアンサンブル（１；４２；５３，５５，５６，５７；５３，５５，６０，６１；５３，５５，６３，６４；５３，５５，６７，６８；５３，５５，６０，７０；１１５）が前記光学部品の前記表面に取付けられる、方法。
【請求項２】
前記コーティングアンサンブルが、前記光学部品を前記レーザビームに対する光学的補償として反射防止に又は全反射にするように、前記コーティングアンサンブル（１；４２；５３，５５，５６，５７；５３，５５，６０，６１；５３，５５，６３，６４；５３，５５，６７，６８；５３，５５，６０，７０；１１５）の反射率があらかじめ与えられ、それにより前記光学部品が、例えば共振器ミラーとして使用できることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
少なくとも１つの前記第３の層（６，３９；５７；６１；６３；６８；７０）が、前記コーティングアンサンブルにおける１つ又は複数の場所に配置されており、前記場所で、共振器ビームの少なくとも１つの周波数部分範囲において大きな吸収変化を得るために、計算により大きなビーム強度勾配が生じることを特徴とする、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
前記コーティングアンサンブル（１；４２；５３，５５，５６，５７；５３，５５，６０，６１；５３，５５，６３，６４；５３，５５，６７，６８；５３，５５，６０，７０；１１５）の層のための材料として、半導体材料が選択され、前記半導体材料が、ひ素、とくに金属又は特定の構成において少なくとも１つのふっ化物を、主要化合物パートナとして含み、かつそれぞれの前記第３の層のための材料として、同様に半導体材料が設けられ、とくにガリウムひ素、ガリウムアルミニウムひ素又はガリウムインジウムひ素が設けられることを特徴とする、請求項１ないし３の１つに記載の方法。
【請求項５】
入射する前記レーザビームに対して群速度の負の分散（負の群遅延分散；負の群速度分散）が生じるように、前記コーティングアンサンブルの層系列が設けられることを特徴とする、請求項１ないし４の１つに記載の方法。
【請求項６】
前記コーティングアンサンブル（１；４２；５３，５５，５６，５７；５３，５５，６０，６１；５３，５５，６３，６４；５３，５５，６７，６８；５３，５５，６０，７０；１１５）の層の少なくとも一部に、材料としてパーセント割合のアルミニウムを含む半導体材料が設けられ、その際、飽和可能な吸収のために設けられた１つ又は複数の層内に、モードロックされた極端に短いパルスを発生するために必要な負の群速度分散とともに飽和可能な吸収が発生できるように、前記共振器ビームの予期すべき中心周波数に相応してアルミニウム割合が設けられることを特徴とする、請求項５記載の方法。
【請求項７】
所定の波長のパルス化されたレーザビーム、とくにマイクロないしフェムト秒範囲におけるパルス化されたレーザビームを発生させるためにレーザ共振器（２０，２３，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂ；４３，４５，４７，５０ａ，５０ｂ；１００，９９，１０２，１０３，１０４，１０５；１０７，１０８，１０９，１１０，１１１，１１２；１１５，１１７，１１９）内において使用する光学部品において、
第１の光学的な層及び第２の光学的な層と、前記レーザビームに対して飽和可能に吸収を行なう材料を含む少なくとも１つの第３の層と、を有する前記光学部品の表面に取付けられた光学的コーティングアンサンブル（１；４２；５３，５５，５６，５７；５３，５５，６０，６１；５３，５５，６３，６４；５３，５５，６７，６８；５３，５５，６０，７０；１１５）が設けられており、
前記コーティングアンサンブルは、交互に連続する前記第１の層及び前記第２の層を有し、前記第１の層及び前記第２の層それぞれの厚さは、前記レーザビームの１／４波長に相当し、交互に連続する前記第１の層及び前記第２の層は、異なった屈折率を有し、
前記コーティングアンサンブルは、交互に連続する前記第１の層及び前記第２の層に取付けられ、少なくとも１つの前記第３の層を含む多層体を更に備え、前記多層体は、前記レーザビームの１／４波長の厚さを有する複数の層が交互に連続する多層体とは異なり、
前記光学部品は、２つのカバー要素の間に飽和可能に吸収を行う材料を配したサンドイッチ状の構造を有さず、ここで、前記２つのカバー要素は両方ともミラーとしての要素であるか、１つのミラーとしての要素及び１つの反射防止コーティングであり、
前記光学部品は、更に、所定の反射特性を有し、前記レーザビームに対して飽和可能に吸収を行う吸収体として使用可能であり、
かつ入射すべき前記レーザビームに対する所定の正規化されたビーム強度を有する１つ又は複数の前記第３の層（６，３９，５７，６１，６３，６８，７０，７５）が、前記コーティングアンサンブルにおいて１つ又は複数の場所に配置されていることを特徴とする、光学部品。
【請求項８】
前記所定の波長を有する前記レーザビームが反射できるように、前記コーティングアンサンブル（１；４２；５３，５５，５６，５７；５３，５５，６０，６１；５３，５５，６３，６４；５３，５５，６７，６８；５３，５５，６０，７０；１１５）が構成されており、それにより前記光学部品が、共振器ミラーとして利用できることを特徴とする、請求項７記載の光学部品。
【請求項９】
少なくとも１つの前記第３の層が、前記コーティングアンサンブル内の１つ又は複数の場所に配置されており、前記場所で、前記レーザ共振器における前記レーザビームの少なくとも１つの周波数部分範囲において大きな吸収変化を得るために、前記所定の波長を有する入射可能な前記レーザビームの大きなビーム強度勾配が生じることを特徴とする、請求項７又は８記載の光学部品。
【請求項１０】
前記コーティングアンサンブル（１；４２；５３，５５，５６，５７；５３，５５，６０，６１；５３，５５，６３，６４；５３，５５，６７，６８；５３，５５，６０，７０；１１５）の層が、大体において半導体材料からなり、前記半導体材料がひ素、とくに金属又は特別の構成において少なくとも１つのふっ化物を主要化合物パートナとして含み、かつそれぞれの前記第３の層が、同様に半導体材料であり、とくにガリウムひ素、ガリウムアルミニウムひ素又はガリウムインジウムひ素であることを特徴とする、請求項７ないし９の１つに記載の光学部品。
【請求項１１】
前記コーティングアンサンブル（１；４２；５３，５５，５６，５７；５３，５５，６０，６１；５３，５５，６３，６４；５３，５５，６７，６８；５３，５５，６０，７０；１１５）の層の少なくとも一部に、材料としてパーセント割合のアルミニウムを含む半導体材料を有し、その際、１つ又は複数の前記第３の層内において、極端に短いモードロックされたパルスを発生できるようにするために、所定のレーザビームに対して必要な負の群速度分散とともに飽和可能な吸収が生じるように、共振器ビームの予期すべき中心周波数に相応してアルミニウム割合があらかじめ与えられることを特徴とする、請求項７ないし９の１つに記載の光学部品。
【請求項１２】
入射する前記レーザビームに対して群速度の負の分散（負の群遅延分散；負の群速度分散）が生じるように、前記コーティングアンサンブルの層系列が構成されていることを特徴とする、請求項７ないし１１の１つに記載の光学部品。
【請求項１３】
前記連続する複数の層は、前記レーザビームの半波長の光学的な層厚さを有し、内部に前記第３の層が埋め込まれていることを特徴とする、請求項７ないし１２の１つに記載の光学部品。
【請求項１４】
前記レーザ共振器（２０，２３，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂ；４３，４５，４７，５０ａ，５０ｂ；１００，９９，１０２，１０３，１０４，１０５；１０７，１０８，１０９，１１０，１１１，１１２；１１５，１１７，１１９）内における少なくとも１つの光学部品が、請求項７ないし１３の１つにしたがって構成されていることを特徴とする、パルスを発生するレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス化されたレーザビーム、とくにマイクロないしフェムト秒範囲におけるパルス化されたレーザビームを発生するレーザ装置において優先的に使用する光学部品に関する。
【発明の背景及び概要】
【０００２】
本発明は、パルス化されたレーザビーム、とくにマイクロないしフェムト秒範囲におけるパルス化されたビームを発生するレーザ装置において優先的に使用しかつ請求の範囲第７及び１３項に記載のパルス化されたレーザの光学構成に使用する光学部品に関する。
【０００３】
マイクロないしフェムト秒範囲における短いパルスは、レーザ共振器内においてモード連結、Ｑ回路又はモード連結されたＱ回路によって発生することができ、このことは、レーザ共振器内に挿入された飽和可能な吸収体によって行なうことができる。飽和可能な吸収体として、色素又は半導体が利用され、これら色素又は半導体の吸収能力は、入射強度の増大とともに低下する。このようにして例えばＨ．ウエーバー／Ｇ．ヘルツィガー、レーザーグルントラーゲン・ウント・アンベンドゥング、フィジーク・フェルラグ・ＧｍｂＨ、バインハイム／ベルグシュトラーセ、１９７２、第１４４以後に、明らかな様式及び方法で記載されたように、共振器内において振動する短いパルスのために異なった共振器モードの連結が行なわれる。
【０００４】
この時、飽和可能な吸収体は、Ｕ．ケラー、“レボルチオン・イン・デア・エルツォイグング・ウルトラクルツァー・パルス”ＴＲトランスファー、第２３巻、１９９４、第２２−２４頁に記載されたように、例えばいわゆる“反共振ファブリーペロー可飽和吸収体”として構成することができる。これら公知の飽和可能な吸収体において半導体吸収体が利用され、この半導体吸収体は、サンドイッチ構造によってほぼ４００μｍの厚さのファブリーペロー干渉計内に統合されていた。このサンドイッチ構造は、ファブリーペロー（エタロン）と同様に２つのミラー要素を有する。両方のミラー要素の間の中間空間は、飽和可能に吸収する半導体材料によって満たされていた。この時、両方のミラー要素の間隔は、ファブリーペローの内部のビーム強度が、入射する強度よりもずっと小さいように選定された。すなわちファブリーペローは、反共振で動作する。このサンドイッチ構造は、とりわけヨーロッパ特許出願公開第０６０９０１５号明細書（米国特許第５３４５４５４号明細書）及びヨーロッパ特許出願公開第０５４１３０４号明細書（米国特許第５２３７５７７号明細書）に記載されている。
【０００５】
飽和可能な吸収体の別のサンドイッチ状の構造は、Ｌ．Ｒ．ブロベリー他、“セルフ−スターティング・ソリトン・モードロックド・Ｔｉ−サファイヤ・レーザ・ユージング・ア・シン・サチュラブル・アブソーバ”、エレクトロニクス・レターズ、第３１巻、第４号、１９９５、第２８７−２８８頁により公知である。ここに記載された“サンドイッチ−吸収体”（第２８７頁、右欄、上から第２段落参照）において、両方のファブリーペローミラーのうち一方だけが、反射防止コーティングに、すなわち反射防止補償部に置き換えられ、ここでは飽和可能に吸収する材料は、サンドイッチの両方のカバー要素の間にある。
【０００６】
この時、とりわけ飽和可能な吸収体として作用しかつ利用可能な本発明による光学部品において、すでに以前から周知のように、もはや分離した個々の個別的な光学要素は、最小化してサンドイッチ状に組み立てられるのではなく、“エタロンのない”コーティングアンサンブルが提供され、ここにおいてそれぞれ個々の層は、アンサンブルの残りとともに入射するビームのための位相に関する総合特性に貢献する。エタロンのないコーティングアンサンブルとは、局所的に判定可能なエタロンを持たないコーティングのことである。この構成形式及びそれにより得られる計算形式によってのみ、飽和可能に吸収する特性を有する１つ又は複数の層を、最適な、ここでは飽和可能に吸収する作用が達成できるように、もちろん位相に関する関係を考慮してこのアンサンブル内に配置することが可能である。
【０００７】
本発明において、その総合特性がもはや個々の部分層の特性の加算としてのみ生じるのではないコーティングが使用される。まずコーティングアンサンブル全体が構成される。このコーティングアンサンブルの存在の後に初めて、アンサンブルの特性を（フィルタ計算と同様に計算により）決めることができる。
【０００８】
本発明は、多数の層からなるコーティングアンサンブルを利用し、その際、ここではすでに１つの層の除去又は変更だけのために、総合層特性が変化することがある。前記のサンドイッチ構造とは相違して、ここでは例えばＭ．ボーン及びＥ．ボルフ、プリンシプルズ・オブ・オプティクス、パーガモン・プレス、１９７５、第５５−７０頁における理論的な説明から明らかなように、層全体相互のマトリクス状の連結が行なわれる。層の物理的データの変更（アンサンブルにおける場所、屈折率、光学的な層厚さ）は、層全体の特性に影響を及ぼす。
【０００９】
この時、周知のサンドイッチ状の構造に対して、本発明においてコーティングアンサンブルの適当な決定によって、光学部品に、この時にちょうど最適な共振器のために必要なような特性を与えることができる。光学的な層の厚さ及び／又は層材料及びアンサンブルにおける場所の選択によって、その特性が達成され、所望のように、したがって最適に調節可能である。光学的な特性が考慮できるだけでなく；とりわけ層の抵抗、周波数に関する正確な反射特性における要求、及びとくに後に説明するように吸収材料の最適な場所、したがってその最適な効果も選択することができる。
【００１０】
コーティングアンサンブルの構成の際に、周知のサンドイッチ構造に対してわずかな数の層が生じるので、このコーティングは、価格的に望ましいばかりでなく、使用すべき光学的層厚さ及びその屈折率において一層大きな公差を利用して製造することができる。層構成及びその材料における多数の組合わせ可能性を可能にする優れた“設計の自由度”は、とくに有利とわかった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に本発明による光学部品の例及びその有利な使用を、図面により詳細に説明する。本発明のその他の利点は、次の説明文から明らかである。
【００１２】
図１は、反射器及び同時に飽和可能な吸収体として作用するコーティングアンサンブル１の層構成を断面で示している。飽和可能に吸収する材料として、ここでは例えば半導体、すなわちガリウムひ素が利用されるので、コーティング過程の間の支障ない成長（ほぼ４００℃における低温ＭＢＥ成長）を維持するために、残りの層のためにも、構造構成においてガリウムひ素と同類の半導体材料が利用されている。
【００１３】
通常ＧａＡｓ及びＡｌＧａＡｓ層を含む構造を、ほぼ６００℃の通常のＭＢＥ温度で成長させる。しかし飽和可能な吸収体を含む層は、それより低い温度で、すなわち２００℃と６００℃の間の温度で成長させると有利である。すなわちこれによりレーザパルスによって発生される電荷キャリヤの再結合時間に影響を及ぼすことができ、かつこの時これら再結合時間は、調節可能に数１００ｆｓと数ナノ秒との間にある。この再結合時間は、例えばＬ．Ｒ．ブロベリ他、“デザイン・アンド・オペレーション・オブ・アンチレゾナント・ファブリー−ペロー・サチュラブル・セミコンダクタ・アブソーバーズ・フォー・モード−ロックド・ソリッド−ステート・レーザ”、ジャーナル・オブ・ジ・オプティカル・ソサイエティー・オブ・アメリカ・Ｂ、第１２巻、１９９５、第３１１−３２２頁に説明されているように、レーザの必要な特性に合わされる。すなわちここに例として説明されたコーティングアンサンブル１及び４２において、後に述べる層６及び３９だけが、４００℃の温度で成長させられている。
【００１４】
コーティング表面（空気３に対する境界層）から出発して、コーティングアンサンブル１は、５ｎｍの厚さのガリウムひ素層−カバー層４（ＧａＡｓ）、それから４０ｎｍの厚さのアルミニウムひ素層５（ＡｌＡｓ）、飽和可能に吸収作用する材料として２０ｎｍの厚さのガリウムひ素層６（ＧａＡｓ）、７０ｎｍの厚さのアルミニウムひ素層７、１０ｎｍの厚さのガリウムひ素層９、及びそれからなるべくアルミニウムドーピングした５９．４ｎｍの厚さのガリウムひ素層１１（Ａｌ１５％Ｇａ８５％Ａｓ）と６９．２ｎｍの厚さのアルミニウムひ素層１３とからなる２５の二重層を有する。全コーティングアンサンブル１は、ガリウムひ素基板１５上に取付けられている。
【００１５】
コーティングアンサンブル１の反射の計算は、ヘルマン．Ａ．ハウス、ウエイブズ・アンド・フィールズ・イン・オプトエレクトロニクスズ、１９８４、プレンティス−ホール・インク．エングルウッド・クリフズ、ニュー・ジャージー・０７６３２、ＩＳＢＮ０−１３−９４６０５３−５、第３１−４６頁にしたがって、図２に使用された記号を使用して、電気特性インピーダンスへの整合の理論と同様に行なわれる。
【００１６】
層Ｚｘの特性インピーダンスは、屈折率（１の相対磁気透磁率における相対誘電率の平方根、このことは、ここでは通常与えられている。）により割られた真空の特性インピーダンスＺｏ（空気のものに近い）である。真空の特性インピーダンスＺｏは、ほぼ３７６．７Ωである。
【００１７】
電気的波動理論によれば、この時、特性インピーダンスの変換のために次の式が明らかである：
Ｚ’＝Ｚｍ［Ｚｓ／Ｚｍ＋ｊｔａｎ（２πｄｍ／ｗｍ）］／［１＋ｊ（Ｚｓ／Ｚｍ）・ｔａｎ（２πｄｍ／ｗｍ）］
“ｊ”は、複素書式における虚数部を示し、Ｚｓは、基板の特性インピーダンスであり、ここではガリウムひ素のものであり、
Ｚ’は、特性インピーダンスＺｍ及び幅ｄｍを有する中間片により基板の特性インピーダンスＺｓから切離された波がこれを“見るようになる”ような変換された特性インピーダンスであり；
ｗｍは、特性インピーダンスＺｍを有する、すなわち当該の屈折率ｎｍ・ｗｍ＝ｗｏ／ｎｍを有する層の材料における考慮されるビーム周波数の波長であり、その際、ｗｏは、自由空間におけるビームの波長である。
【００１８】
厚さｄｍ−１を有する別のインピーダンス波片Ｚｍ−１が前に接続された場合、この時に波がこれを“見るようになる”ような特性インピーダンスＺ’’に対して、この時、意味的に次の式が成り立つ：
Ｚ’’＝Ｚｍ−１［Ｚ’／Ｚｍ−１＋ｊｔａｎ（２πｄｍ−１／ｗｍ−１）］／
［１＋ｊ（Ｚ’／Ｚｍ１）・ｔａｎ（２πｄｍ−１／ｗｍ−１）］
全コーティングアンサンブル１の反射Ｒは、この時次のように与えられ：
Ｒ＝［（１−Ｚｍ−ｘ／Ｚ＊ｘ’）／（１＋Ｚｍ−ｘ／Ｚ＊ｘ’）］＊２
その際、Ｚ＊ｘ’は、層表面に対して変換された特性インピーダンスであり、かつＺｍ−ｘは、一番上の層に境を接する媒体の、したがってここでは空気の特性インピーダンスである。前記のコーティングアンサンブル１の反射特性は、図３に示されている。この時、理念は、コーティングアンサンブル１の構造に基づく波長依存性を、所定の波長範囲に対して吸収を行なう材料によって与えられる吸収によって補償することにある。このことは、吸収層６の適正な場所の選択によって達成することができる。この考えをはっきりさせるために、吸収層６の位置におけるアンサンブル１の反射率は、図１に示した位置に対して一方において２０ｎｍだけ外方へ、（粗い破線）、かつ一方において２０ｎｍだけ内方へ（細かい破線）ずらして示されている。実線は、モード連結されたレーザのものによる８３０ｎｍの中心周波数の波長である。
【００１９】
コーティングにおける面の垂線に対して平行な強度特性は、前記の反射率と同様に電界強度から計算され、その際、ここでもそれぞれの内側境界面における部分波の反射の位相関係は、例えばヘルマン．Ａ．ハウスによる前記の刊行物に説明されたように、位相に関して重畳しなければならない。
【００２０】
８３０ｎｍ、８４０ｎｍ及び８５０ｎｍの自由空間における種々の波長に対する図１に示されたコーティングアンサンブル１内の強度の経過は、図４に示されている。波長表示は、常に自由空間におけるものに関する。
【００２１】
とくにサブピコ秒範囲における短いモード連結されたパルスの発生は、光学部品の図５ａに示された装置によって可能である。装置は、ヒートシンク１７上に配置されかつ飽和可能な吸収体を有するレーザ共振器ミラーとして作用するコーティングアンサンブル１９を有し、このコーティングアンサンブルは、前記のコーティングアンサンブル１にしたがって８４０ｎｍのところに最大反射を有し、かつ１−２％の飽和可能な吸収体を有するほぼ１００％ミラーとして作用する。出力結合ミラーとして作用する別の共振器ミラー２０は、９８％の反射を有し、かつ専門家のコーティングを有し、このコーティングについては、ここではそれ以上立入らない。活性媒体として、５ｍｍの厚さ及び３％のクロム含有量を有するＣｒ：ＬｉＳＡＦ−結晶２３［クロムドーピングされたリチウム−ストロンチウムアルミニウムふっ化物−結晶］が使われる。活性媒体は、両側からアプライド・オプトロニクス社のタイプＡＯＣ−６７０−４００のそれぞれ１つのレーザダイオード２１ａ及び２１ｂによって、４００ｍＷの出力を有する６７０ｎｍの波長において光学的にポンピングされる。ポンピングビーム経路は、実線の共振器ビーム経路１８と区別するために、図５ａに破線で示されている。ダイオード２１ａ及び２１ｂのビームは、結像システム２２ａ又は２２ｂによって活性媒体２３内に入射される。共振器内におけるビーム経路は、それぞれ１つの凹面反射面を有する３つのミラー２４ａ、２４ｂ及び２４ｃ（表面曲率半径は、図５ａにおける“上側の”両方の反射面において１０ｃｍ、かつ下側のものにおいて２０ｃｍである）によって形成され、かつ転向される。５９ｃｍの間隔を置いて互いに離された両方のプリズム２５ａ及び２５ｂは、レーザ共振器において群速度の負の分散を形成するために使われる。群速度のこの負の分散は、前記の短いパルスを発生するために必要である。
【００２２】
図１に示されたコーティングアンサンブルに対する変形は、図６に示されている。二重層系列３３及び３４、及び基板３５の材料も、図１におけるものと同一である。この時、層３３上に１０ｎｍの厚さのＧａＡｓ層３８があり、これにアルミニウムひ素（ＡｌＡｓ）からなる１３０ｎｍの厚さの中間層３７が続き、それからアルミニウムドーピングした飽和可能に吸収するガリウムひ素層３９が続く。層３９は、なるべくＡ１６％Ｇａ９４％Ａｓからなり、かつとくにほぼ４００℃におけるいわゆる“低温ＭＢＥ方法”によって製造される。カバー層４１として、５５ｎｍの厚さのアルミニウム−ガリウムひ素層Ａｌ６５％Ｇａ３５％Ａｓが使われる。このアンサンブル４２の反射は、８４０ｎｍの波長において不飽和でほぼ９８％にある。
【００２３】
ドーピングの選択により、ガリウムひ素層は、ここに当たるビーム波長に依存して、飽和可能に吸収を行なう層から吸収を行なわないものへ調節することができる。このようにしてガリウム割合をアルミニウムのものに置き換えかつひ素割合を一定にした０ないし６％のアルミニウムのドーピングの際、吸収限界は、８７０ｎｍから８３０ｎｍにシフトする。１５％のアルミニウム含有量の場合、吸収限界は、すでに８００ｎｍにある。この時、層構成は、レーザ共振器においてビーム波の群速度の負の分散が生じるように選定された。さらに当該の層の良好な成長、及び大きなビーム強度における大きな抗性を得ることに注意する。
【００２４】
Ｒ．スツィペクス他、“チープド・マルチレイヤー・コーティング・フォー・ブロードバンド・ディスパージョン・コントロール・イン・フェムトセカンド・レーザ”、オプティック・レターズ、第１９巻、第３号、１９９４、第２０１−２０３頁に記載されたように、例えばＳｉＯ２及びＴｉＯ２の別の材料組成も選択することができることは明らかである。しかしＲ．スツィペクス他によって記載されたコーティングアンサンブルは、群速度の負の分散だけしか発生しない。とくにここにおける図１に示されたように、この層構成は、この時、なお第１に発明に値する知識に基づいて、飽和可能に吸収する層があらかじめ決められた位置においてコーティングアンサンブルに統合されるように、変更しなければならない。本発明による知識によれば、当該の層は目的として統合することができるので、位相速度の負の分散が達成できるだけでなく、追加的に飽和可能な吸収の特性を最適に統合することができる。そのため個々の層は、位相関係を変更することなく、層構成に関する強度の図４に示された経過と同様に、飽和可能な吸収を有するものに置き換えるだけでよい。
【００２５】
Ｒ．スツィペクス他の刊行物に記載されたコーティング構成に対する変形は、Ｃ．フォンテイン他、“ジェネラライゼイション・オブ・ブラッグ・レフレクタ・ジオメトリー：アプリケーションズ・トゥー・（Ｇａ、Ａｌ）Ａｓ−（Ｃａ、Ｓｒ）Ｆ２・レフレクターズ”、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．６８、（１０）、１９９０、第５３６６−５３６８頁に説明されている。この時、本発明によれば、ここに説明された層系列に、前記の説明と同様に、飽和可能に吸収する１つ又は複数の層を統合することができる。このような構成によれば、１０ｆｓ以下のパルス幅が達成できる。
【００２６】
図７は、モードロックされたレーザの共振器装置を示しており、その際、一方のレーザ共振器ミラー４３は、８４０ｎｍにおける最大反射のために前記のコーティングアンサンブル４２によってコーティングされており、かつほぼ１００％−ミラーとして構成されている。出力結合ミラーとして作用する他方の共振器ミラー４５は、９９％の反射を有し、かつ専門家のコーティングを有し、このコーティングについてここではこれ以上立入らない。活性媒体として、２ｍｍの厚さを有するＣｒ：ＬｉＳＡＦ−結晶４７［クロムドーピングしたリチウム−ストロンチウムアルミニウムふっ化物−結晶ＬｉＳｒＡｌＦ６］が使われるので、ブルースター角における光経路は、結晶内かつ３％のクロム含有量において２ｍｍである。活性媒体は、アプライド・オプトロニクス社のタイプＡＯＣ−６７０−４００のレーザダイオード４９により、４００ｍＷの出力を有する６７０ｎｍの波長で光学的にポンピングされる。ポンピングビーム経路は、図７において実線の共振器ビーム経路４８から区別するために破線で示されている。ダイオード４９のビームは、結像システム５１によって活性媒体４７に入射する。実際のポンピング過程のために、４００ｍＷのうちこの時なおほぼ３００ｍＷが利用される。共振器内におけるビーム経過は、それぞれ１つの凹面反射面を有する２つのミラー５０ａ及び５０ｂ（表面曲率半径は１０ｃｍである）によって形成され、かつ転向される。共振器ミラー４３の間隔は、“転向ミラー５０ａ”から２７ｃｍであり、かつ転向ミラー５０ｂからの出力結合ミラー４５の間隔は、７０ｃｍである。
【００２７】
３００ｍＷのポンピング出力の際、１６０ｆｓのレーザパルスにおいて２５ｍＷの平均レーザ出力が達成された。ここにおいて選ばれたレーザ共振器装置において、一方において丈夫な構成、及びいわゆる“カーレンズモデルロッキング”を使用した際の調節と比較して微妙でない調節が目立っている。この装置において、きわめて困難に調節すべきプリズム対２５ａ及び２５ｂも省略することができる。
【００２８】
共振器ミラーとして作用するコーティングアンサンブル１９又は４３の代わりに、ミラー２０、４５、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、５０ａ及び５０ｂの１つ又は複数の表面は、同様であるがこの時に反射しないアンサンブルコーティングを有することもできる。
【００２９】
前記のコーティングアンサンブルを反射器として構成する代わりに、これらコーティングアンサンブルは、反射防止器として構成することもでき、かつこの時、直接例えば活性媒体の一方又は両方の側面に、又はプリズム２５ａ及び／又は２５ｂの１つ又は複数の面に、及びレーザ共振器内のそのビーム経路内におけるここには図示しないその他の光学部品に取付けてもよい。
【００３０】
コーティングアンサンブル１又は４２における１つだけの飽和可能に吸収する層６又は３９の代わりに、複数のこれら層が存在してもよいことは明らかである。これら層は、アンサンブル内のビーム強度に関して類似の位置（図４参照）にあるだけでよい。
【００３１】
前記のガリウム、ひ素及びアルミニウムを含む半導体材料の他に、例えばインジウム、りん、ふっ化物（ＣａＦ２、ＢａＦ２、・・・）をベースにしたもののようなその他の半導体材料を使用してもよいことは明らかである。
【００３２】
図８ａないし８ｅは、図１及び６のものに対する変形として、種々のコーティングアンサンブルの例を示している。図８ａないし８ｅにおいて、それぞれ図部分αは、全アンサンブルの厚さ（μｍにおけるｚ）に関する任意のユニットにおける強度特性（Ｉ）を示し、図部分βは、コーティングアンサンブルの一部に関する強度特性を示し、かつ図部分Γは、ミクロン［μｍ］における横軸上に示された波長に関するコーティングアンサンブルの反射を示す。個々の層の幅は、それぞれの部分図α及びβにおける“方形曲線”から明らかである。それぞれの層を区別するために、その屈折率ｎが指定されている。ｎ３．５の屈折率を有するＧａＡｓからなる層５３とｎ ２．９５の屈折率を有するＡｌＡｓからなる層５５とが、交互に存在する。図８ａないし８ｅのコーティングアンサンブルは、一番上の３つの層において互いに相違している。“上”とは、露出したコーティング端部−空気への移行部−を表わす。一番下の部分図Γは、それぞれ入射するビームのミクロン（μｍ）における波長λに関する当該のコーティングアンサンブル全体の反射Ｒの経過を示している。
【００３３】
図８ａにおいて一番上の層５６は、１．０６４μｍ（自由空間波長）に関する半波長の光学的層厚さを有するＧａＡｓ層であり、この層は、ｎ３．６の屈折率を有するＩｎＧａＡｓからなる吸収部分層５７を含んでいる。自由空間波長とは、自由空間（真空）における波長である。しかし当該の層において存在する屈折率にしたがって、波長の値は相応して変化する。吸収部分層５７の位置は、この層が共振器波の強度経過の最大値のとことにあるように選定されている。この位置、及びコーティングアンサンブルにおけるレーザ共振器波の正規化された強度経過５９ａ全体は、図８ａの部分図αによって示されている。上側コーティング部分層に対してコーティング厚さ寸法に関して拡大された表示は、図８ａの部分図βによって示されている。ここでは部分図αと同様に強度経過は、５９ｂによって示されている。
【００３４】
図８ａと同様なコーティングアンサンブルは、図８ｂによって示されているが、その際、ここでは一番上の層６０は、１．０６４μｍに関して１／４波長の光学的層厚さを有するＧａＡｓ層である。吸収を行なう層６１は、ここでは同様にこの層６０内にあるが、すでに下降する強度６２ａ又は６２ｂの場所にある。
【００３５】
これとは別のコーティング変形は、図８ｃに示されている。ここでは吸収を行なう層６３は、同様に一番上の層６４内に埋め込まれている。前記のコーティングアンサンブルとは相違して、ここでは一番上の層６４は、ＡｌＡｓからなる小さな屈折率、すなわちｎ２．９５を有する層である。光学的層厚さは、１．０６４μｍに関する半波長に相当する。吸収を行なう層６３は、ほぼ強度最大値の１つ、ここでは絶対的な強度最大値６５のところに配置されている。
【００３６】
コーティングアンサンブルの別の変形は、図８ｄ及び８ｅに示されている。前記のものと相違して、この時、吸収を行なう層６８又は７０は、もはや一番上の層ではなく、それより深いところにある、ここでは例えば上から３番目の層６７又は６９内に埋め込まれている。図８ｄにおいて吸収を行なう層６８は、ほぼ相対的な強度最大値の場所にある。これに反して図８ｅにおいて、吸収を行なう層７０は、相対的な強度最大値の後の降下する部分にある。
【００３７】
図８ａないし８ｅは、コーティングアンサンブル内における飽和可能な吸収体の最適な位置をどのようにして見付けることができるかの方法を示している。吸収体の位置を注意深く選択した際、所望の波長範囲に関する所望の広帯域性が達成できる。図示した例において、５０ｎｍの範囲が達成されている。さらにコーティングアンサンブルにおける実効的な、すなわち“外部から見た”飽和強度は、例えば図８ｄが示すように、例えば吸収体を一層深く理め込んだとき、高めることができる。
【００３８】
図９は、図示しないレーザ共振器内において１０−ｆｓ−範囲［ｆｓフェムト秒（１ｆｓ＝１０＊−１５秒）］におけるパルス幅を有するパルス化されたレーザビームを発生するために、前記の構成と同様に飽和可能な吸収体を有する広帯域コーティングアンサンブルを示している。活性レーザ材料として、２ｍｍの厚さを有する（図示しない）Ｔｉ：サファイヤーレーザ−結晶が利用される。共振器ミラーは、１０ｃｍの相互間隔に配置されており、それにより後に説明する吸収を行なう層におけるレーザビーム直径は、３６μｍである。（図示しない）出力結合ミラー（両方の共振器ミラーのうちの一方）は、レーザ共振器から３％のレーザ強度を出力結合する。前記の図示しないレーザ共振器に使用する図９ｂ及び９ｃに示されたコーティングアンサンブルは、図１、４及び図８ａないし８ｅのコーティングアンサンブルとは相違して、金属層、ここでは銀層を有する。しかし例えば金層のようなその他の金属層が存在してもよい。
【００３９】
通常のコーティング方法とは相違して、ここでは基本的にすでに周知のものとは異なった新しい製造方法が使用されている。すなわちこの方法において、後に説明するように、一番下にあるべき金属層が最後のものとして製造される。すなわち層の取付けは、反転された順序で行なわれる。
【００４０】
図９ｂに示されたコーティングアンサンブルの製造のため、図９ａに暗示的に示されたように、まずＧａＡｓ基板７１上に、ｘ＝０．６５を有する３００ｎｍの厚さのＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層７２が取付けられる。それからこの層７２上に４０ｎｍの厚さのＧａＡｓ層７３が取付けられる。この時、ｘ＝０．６５を有するＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層７２からなる２０ｎｍの厚さの別の層７４が続く。この層７４上に、低温法（４００°Ｃ）において１５ｎｍの厚さのＧａＡｓ吸収層７５が取付けられ、それから７０ｎｍの厚さのＡｌＡｓ層７６、及び３ｎｍの厚さのＧａＡｓ層７７が続き、このＧａＡｓ層は、後で層７６の酸化を防ぐようにする。それから層７７上に５μｍの厚さの銀層７８が来る。
【００４１】
このコーティング方法の後に、コーティングされた基板７１は、ほぼ５ｍｍ×５ｍｍの大きさの片に分割される。それからこれら片は、十分な熱放出を維持するために、２成分エポキシド接着剤７９によってシリコン基板８０上に接着される。片は、次の処理ステップにおいて８０℃で８時間にわたって、５００ｇの表面重量において負荷をかけて熱処理される。次にＧａＡｓ基板７１は、１００μｍにラッピングされ、かつ過酸化水素中に［ＮＨ４ＯＨ：Ｈ２Ｏ２（１：２５）］溶解されたアンモニアによって毎分ほぼ６μｍの室温におけるエッチング速度で層７２までエッチングされる。続いて層７２は、ふっ化水素酸により層７３まで取り除かれる。層７３は、層７１と同様に、過酸化水素中に［ＮＨ４ＯＨ：Ｈ２Ｏ２（１：２００）］溶解された一層低い濃度のアンモニアによってエッチング除去される。良好な均一なエッチングのために、５ｍｍ×５ｍｍの大きさの片は動かさなければならない。角及び銀の層を保護するために、エッチング過程の間に、ワックス塗装が利用される。ワックス保護層は、後にトリクロエチレンによって取り除くことができる。エッチングによって、コーティングアンサンブルの製造のために必要な層であるが、光学的に利用できない層は、取り除かれるようになる。この時、一番上の層は、層７４である。
【００４２】
図９ｃに示されたコーティングアンサンブルは、図９ｂにおけるものと同様に製造されている。層８３、８４、８５及び８６は、図９ｂのコーティングアンサンブルの層７８、７７、７６及び７５に相当する。しかし図９ｂのものとは相違して、ここには８２ｎｍの厚さのＡｌＧａＡｓ層８７が存在し、この層上に、保護層９０を有する反射防止コーティング８９がある。図９ｂ及び９ｃにおいて、それぞれ強度の局所的な経過は、参照符号９１ａ又は９１ｂによって記入されている。
【００４３】
図９ｂに示されたコーティングアンサンブルは、（図示しない）レーザ共振器に内において、小さなＱにより反共振で動作する。それにより波長に依存した拡大された反射変化及び拡大された群速度の分散によって引起こされるきわめて短いパルス幅制限（きわめて短い−パルス−幅制限）が回避される［例えばＬ．Ｒ．ブローベリ、ｕ．ケラー、Ｔ．Ｈ．チウ、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ１２、３１１（１９９５）参照］。コーティングアンサンブルの反射は、８００ｎｍにおいて９４％より大きい。反射特性は、７００ｎｍと１２００ｎｍとの間の範囲においてわずかな波長依存性を示すだけである。
【００４４】
反共振で動作する代わりに、図９ｃに示されたコーティングアンサンブルによって共振でも動作することができる。
【００４５】
ＩＩＩ−Ｖ族半導体及びふっ化物層を有するコーティングアンサンブルに対する例は、１．４μｍのレーザ波長について図１０に示されている。ここではＢａＦ２からなるそれぞれ２２０ｎｍ厚さの３つの層９４ａないし９４ｃは、前後に（サンドイッチ状に）それぞれ１０ｎｍの厚さのＣａＦ２層９３ａないし９３ｃを備えている。これら“サンドイッチ”の間に、それぞれ１つのＧａＡｓ１／４波層９７ａないし９７ｃ（１００ｎｍの層厚さ）が配置されている。ＧａＡｓ基板９６上に、コーティングプロセスにおいてＧａＡｓからなる層９５が取付けられている。層９５は、後続の層のための良好な保持及び成長を可能にするためだけに使われる。
【００４６】
ＣａＦ２とＢａＦ２との間の屈折率の相違はわずかであるが、ＢａＦ２は、大きな弾性係数を有し、このことは、冷却過程の間のコーティング内における割れ目の形成を大幅に減少する。このコーティングアンサンブル上又はその中にも、飽和可能な吸収体を有する層を統合することができる。一層短い波長に対して、なるべくＧａＡｓの代わりに、ＡｌＧａＡｓが使用され；ＧａＡｓは、９００ｎｍより下において吸収を示す。
【００４７】
ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ又はＡｌＧａＡｓ／ＡｌＡｓからなる層を有する前記のコーティングアンサンブルは、Ｔｉ−サファイヤーレーザに対してＣａＦ２及びＢａＦ２を有するものとは相違して、その帯域幅を完全に利用できるようにするため、いくらか小さすぎる帯域幅を有する。それにしたがって広帯域Ｔｉ−サファイヤーレーザに対して、ＣａＦ２及びＢａＦ２を有するコーティングアンサンブルに頼る。金属層を有する前記のコーティングアンサンブルに対して、ここでは利点は、層のエピタキシャル相互成長にある。
【００４８】
半導体材料として、例えばＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰ等が、かつふっ化物として、ＣａＦ２、ＢａＦ２、ＳｒＦ２、・・・が利用できる。
【００４９】
図５及び７に示された共振器構造の他に、なお別のものも利用できる。図１１に示された共振器は、レーザ結晶９９を有し、このレーザ結晶のレーザ波長に対して反射性の一方の端部１００を通してポンピングされる。レーザ結晶９９によって発生された共振器波１０１は、転向ミラー１０２、１０３及び１０４を介して転向される。レーザ結晶９９は、ポンピング光ビーム９８によって光学的にポンピングされる。前記のコーティングアンサンブルの１つを有する飽和可能な吸収体は、共振器端部ミラー１０５として配置されている。レーザビームは、転向ミラー１０３において出力結合される。
【００５０】
図１２によるレーザ共振器は、同様に前記のコーティングアンサンブルの１つにおける飽和可能な吸収体を有する。コーティングアンサンブル１０７は、共振器端部ミラー内に統合されている。さらに共振器は、端部ミラー１１２、及び４つの転向ミラー１０８ないし１１１を有し、その際、要素１１０は、同時に活性媒体（レーザ結晶）、及びその中にあるミラーである。レーザエネルギーは、端部ミラー１１２を介して一部出力結合される。レーザ結晶１１０の光学的なポンピングは、ポンピング光ビーム１１４を介して行なわれる。
【００５１】
すでに前に述べた共振器と同様の短いパルスを発生する小型化されたレーザ共振器は、図１３に示されている。取付け板片１１３上に、前記の構成による飽和可能な吸収体を有するコーティングアンサンブル１１５は、共振器端部ミラーとして取付けられている。直接このコーティングアンサンブル１１５上に、レーザ結晶１１７が載せられている。（しかし結晶は、１１６で示された位置にコーティングアンサンブルを備えていてもよい。）レーザ結晶１１７のほぼ２００μｍの厚さプラスコーティングアンサンブル内へのビームの“侵入深さ”は、共振器の長さを決めている。直接アンサンブル１１５に対向するレーザ結晶１１７の側に、出力結合すべきレーザビーム１２１のため及びポンピング光ビーム１２２の入力結合のために相応するコーティングを有する出力結合ミラー１１９が配置されている。レーザビーム１２１及びポンピング光ビーム１２２は、相応してコーティングされたビームスプリッタ１２３を通して互いに分離される。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】飽和可能な吸収体として作用するコーティングアンサンブルの、面に対して垂直な方向における断面を示す。
【図２】全反射に対する計算過程を示すために任意のコーティングアンサンブルの特性インピーダンスの概略的な表示を示す。
【図３】自由空間において０．６ないし１．０μｍの波長を有するビームに対する垂直ビーム入射の際の図１に示したコーティングアンサンブルの反射特性を示す。その際、吸収を行なう層は、同じ全アンサンブル厚さの際に、表面の近くにおいて２０ｎｍかつ通常位置に対して一度２０ｎｍさらにここから離れている。
【図４】８１０ｎｍ、８２０ｎｍ、８３０ｎｍ及び８５０ｎｍ（自由空間）の波長に対するコーティングアンサンブル［個々の誘電体層の位置は、図１により記入されている］内の正規化された強度特性を示し、その際、実線の曲線は、図５に示された装置におけるモード連結されたレーザの８３０ｎｍの平均周波数の波長を示している。
【図５】パルス化されたレーザの光学的構成の図である。
【図６】飽和可能な吸収体の他に負の群速度分散を達成することができる図１に示されたコーティングアンサンブルに対する変形を示す。
【図７】共振器ミラーとして図６に示された部品を有するモード連結されたレーザの光学的構成の図を示す。
【図８ａ】コーティングアンサンブルの構成例を示す。
【図８ｂ】コーティングアンサンブルの構成例を示す。
【図８ｃ】コーティングアンサンブルの構成例を示す。
【図８ｄ】コーティングアンサンブルの構成例を示す。
【図８ｅ】コーティングアンサンブルの構成例を示す。
【図９】は、図１と同様であるが金属層を有するコーティングアンサンブルを示す。
【図１０】は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料及びふっ化物を含む層を示し、このことは、ここでは１．４μｍの中心波長におけるミラーを表わす。
【図１１】活性媒体及び共振器端部ミラーが１つの構成部分を形成するレーザ共振器の変形を示す。
【図１２】共振器内における活性媒体が転向ミラーとして構成されたレーザ共振器の別の変形を示す。
【図１３】小型化したレーザ共振器を有する別の変形を示す。
【符号の説明】
【００５３】
１，４２…コーティングアンサンブル。
【図１】
2009277676.tif 000003
【図２】
2009277676.tif 000004
【図３】
2009277676.tif 000005
【図４】
2009277676.tif 000006
【図５】
2009277676.tif 000007
【図６】
2009277676.tif 000008
【図７】
2009277676.tif 000009
【図８ａ】
2009277676.tif 000010
【図８ｂ】
2009277676.tif 000011
【図８ｃ】
2009277676.tif 000012
【図８ｄ】
2009277676.tif 000013
【図８ｅ】
2009277676.tif 000014
【図９】
2009277676.tif 000015
【図１０】
2009277676.tif 000016
【図１１】
2009277676.tif 000017
【図１２】
2009277676.tif 000018
【図１３】
2009277676.tif 000019