(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光学部品と第２の光学部品とからなる位相分散補償部と、
前記位相分散補償部の前記第１の光学部品と前記第２の光学部品との間の光路中に配設されたレーザ媒質と、
光路中の光を短パルス化するパルス生成部と、
レーザ光を取り出す光取り出し部と、
複数の共振用鏡を有し、前記複数の共振用鏡で形成される光路中に前記位相分散補償部と、前記レーザ媒質と、前記パルス生成部と、前記光取り出し部とが配設される共振部と、
前記レーザ媒質を励起する励起源と、
を備えることを特徴とする超短パルスレーザ装置。
【請求項２】
前記パルス生成部は、前記位相分散補償部の前記第１の光学部品と前記第２の光学部品との間の光路中に配設されることを特徴とする請求項１記載の超短パルスレーザ装置。
【請求項３】
前記複数の共振用鏡の少なくとも１つの配設位置を移動する鏡移動手段を更に備える、ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の超短パルスレーザ装置。
【請求項４】
前記複数の共振用鏡の反射面の少なくとも１つの光路に対する角度を変化させる鏡回転手段を更に備える、ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の超短パルスレーザ装置。
【請求項５】
前記共振部内の光路中に配設されたスリットと、
前記スリットを光路に垂直な方向に移動するスリット移動手段と、
を更に備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の超短パルスレーザ装置。
【請求項６】
前記レーザ媒質は固体レーザ媒質であり、前記励起源は半導体レーザであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の超短パルスレーザ装置。
【請求項７】
前記半導体レーザは、マスター発振子パワー増幅器構造であることを特徴とする請求項６記載の超短パルスレーザ装置。
【請求項８】
前記複数の共振用鏡の反射面の少なくとも１つのを振動させる鏡振動手段を更に備え、前記複数の共振用鏡の反射面の少なくとも１つの振動によりモード同期を始動する、ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の超短パルスレーザ装置。
【請求項９】
モード同期状態をモニタし、モード同期が始動したときに振動の停止を前記鏡振動手段へ指示し、モード同期がはずれたときに振動の開始を前記鏡振動手段へ指示するモニタ部を更に備える、ことを特徴とする請求項８記載の超短パルスレーザ装置。
【請求項１０】
前記パルス発生部は、
前記固体レーザ媒質中に形成された光変調部と、
前記光変調部に変調信号を供給する可変変調信号発生部と、
を備え、強制モード同期を行うことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の超短パルスレーザ装置。
【請求項１１】
モード同期状態をモニタし、モード同期が始動したときに変調の停止を前記可変変調信号発生部へ指示し、モード同期がはずれたときに変調の開始を前記可変変調信号発生部へ指示するモニタ部を更に備える、ことを特徴とする請求項１０記載の超短パルスレーザ装置。
【請求項１２】
前記固体レーザ媒質の温度を略一定温度に保持する温度調整手段を更に備える、ことを特徴とする請求項６から請求項１１のいずれかに記載の超短パルスレーザ装置。
【請求項１３】
前記共振用鏡の数は３以上であり、共振光路はリング状である、ことを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれかに記載の超短パルスレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、１ｐｓｅｃ以下のパルス幅を有する光パルスを発生する超短パルスレーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
短パルス光に対する需要が、高速光通信および高速非線形光学現象の応用といった側面から高まっている。こうした需要に対応して、１ｐｓｅｃ以下の超短パルスを発生する技術として、ローダミン６Ｇ色素レーザ媒質を使用し、ＤＱＯＣＩ（1,3'-Diethyl-4,2'-quinolyoxacarbocyanine Iodide）やＤＯＤＣＩ（3,3-Diethyl-oxadicarbocyanine Iodide）の可飽和色素を用いて受動モード同期を行い、パルス幅＝１００〜５００ｆｓｅｃの光パルスを発生する技術（M.D.Dawson et al., OPTICS LETTERS, Vol.11, No.11, Nov., 1986, pp.721-723；以後、従来例１と呼ぶ）や、Ｃｒ3+：ＬｉＳｒＡｌＦ6（Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ）固体レーザ媒質を使用し、固体レーザ媒質のカー効果を用いてカーレンズモード同期を行い、パルス幅＝４４ｆｓｅｃの光パルスを発生する技術（青島  他，レーザ研究，Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．１１（１９９５）、ｐｐ．９０−９５；以後、従来例２と呼ぶ）が提案されている。
【０００３】
これらの技術による超短パルスレーザ装置は、レーザ共振器鏡に、レーザ媒質、パルス生成部、位相分散補償部が配設されたレーザ共振器を備えている。レーザ媒質は、励起源からのエネルギによって励起され、レーザ動作をする。従来例１および従来例２では、励起エネルギは光の形態でレーザ媒質に供給され、従来例２では半導体レーザが用いられる。
【０００４】
なお、通常のレーザ装置では、１つの共振器鏡が光取り出し部を兼ねている。以下の説明においては、光取り出し部を兼ねた共振器鏡を出力鏡と表現する。
【０００５】
超短パルスレーザ装置でのパルス生成には、モード同期法が好適に使用される。モード同期法には、大別して、
（i）音響光学素子を用いたモードロッカ装置による強制モード同期法、
（ii）従来例１で用いられているＤＱＯＣＩやＤＯＤＣＩといった色素、または、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi-Quantum Well）構造の半導体などの可飽和吸収体を用いた受動モード同期法、
（iii）従来例２のように、レーザ媒質自体の光線形効果を利用したカーレンズモード同期法
などがあり、採用するモード同期法を実行するパルス生成部が共振器内に配設される。なお、カーレンズモード同期法の場合には、レーザ媒質がパルス生成部を兼ねることになる。
【０００６】
時間軸での超短パルスの発生のためには、周波数（または波長）軸で広帯域であることが避けられず、したがって、周波数（または波長）軸での半値全幅と時間軸での半値全幅との積の値は、一定値以下とはならない。すなわち、
Δν・Δτ≦ｋ                                  …（１）
ここで、Δν：周波数（または波長）軸での半値全幅
Δτ：時間軸での半値全幅
ｋ：波形に依存した定数
の関係が成立する。各波長間で位相が理想的に一致したとすると、
Δν・Δτ＝ｋ
とできる。例えば、光パルスの波形がｓｅｃｈ2の場合に、ｋ＝０．３１５となる。
【０００７】
一方、パルスレーザ装置として必須な、レーザ媒質、パルス生成部、共振器鏡、出力鏡は、一般には分散媒質である。したがって、こうした分散媒質の存在のために、波長帯域が制限されたレーザ発振となったり、帯域幅が広いレーザ発振であっても所望のパルス幅の光パルスが得られなかったりする。
【０００８】
そこで、通常、共振器内に位相分散補償部を配設する。位相分散補償部としては、プリズム対や回折格子対が好適に用いられる。従来例１や従来例２でも、位相分散補償部として、プリズム対が共振器内に配設されている。
【０００９】
また、超短パルスレーザ装置において、安定にモード同期するには、レーザ媒質がレーザ共振器のほぼ中央に配置される必要があることが知られている（G.Cerullo et al., OPTICS LETTERS, Vol.19, No.14, July 15, 1994, pp.1040-1042参照）。
【００１０】
図１９は、代表的な従来の超短パルスレーザ装置の構成図である。図１９に示すように、この装置は、（ａ）Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ結晶からなるレーザ媒質９１０と、（ｂ）レーザ媒質９１０の一方の光入出力面側に配置された凹面鏡９２１、および、光路上で凹面鏡９２１と約１０ｃｍ離れた、レーザ媒質９１０の他方の光入出力面側に配置された凹面鏡９２２と、（ｃ）ＢＫ７から成るプリズム９３１およびＢＫ７から成るプリズム９３２から成り、プリズム間隔＝４６ｃｍる位相分散補償部９３０と、（ｄ）共振器内の光を選択して透過するスリット９４０と、（ｅ）共振器の一方の端面を形成する共振器鏡９５１、および、光路上で共振器鏡９５１と１７０ｃｍ離れた、共振器の他方の端面を形成する出力鏡９５２と、（ｆ）出力鏡９５２を振動させる振動手段９５３と、（ｇ）レーザ媒質９１０に励起エネルギを供給する励起源９６０とを備える。
【００１１】
この装置では、励起源９６０からレーザ媒質９１０に励起エネルギを供給しつつ、レーザ発振を引き起こさせる。そして、振動手段９５３によって出力鏡９５２を振動させて、モード同期状態を発生させ、超短パルスを得ている。
【００１２】
本発明者の実験によれば、図１９に示す装置を使用して最適調整をした結果、ピーク波長＝約９０８ｎｍ、パルス幅＝３０ｆｓｅｃの光パルスが得られた。この実験結果では、
Δν・Δτ＝０．３２
であり、時間波形をｓｅｃｈ2と過程した場合の理想値である、
Δν・Δτ＝０．３１５
にほぼ一致している。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
超短パルスレーザ装置が発生する光パルスに対しては、パルス幅が小さいという要求に加えて、パルス間の時間間隔を短くする、すなわち、光パルスの高繰り返し化の要請があるとともに、装置自体に対しては小型化の要請がある。また、パルス繰り返しの間隔を可変制御したいという要請がある。
【００１４】
レーザパルスの繰り返し時間間隔は、共振器長Ｌで決定され、光が共振器を巡る時間間隔となる。ファブリ−ペロー型の共振器の場合は、レーザパルスの繰り返し時間間隔は、共振器を往復する時間であり、レーザパルスの繰り返し周波数ｆは、
ｆ＝ｃ／２Ｌ                                …（２）
となる。
【００１５】
したがって、レーザパルスの繰り返し周波数を大きくするには、共振器長Ｌを短くすることが有効である。また、共振器長Ｌを短くすることで、装置自体の小型化も達成可能である。
【００１６】
従来の超短パルスレーザ装置では、上記のように、短パルス化の要請については、理論的な限界近くまで満たしているが、光パルスの高繰り返し化の要請および装置自体に対しては小型化の要請を必ずしも満たしていない。
【００１７】
例えば、図１９の装置について、共振器長Ｌを短くするため、位相分散補償部９３０のプリズム９３１と凹面鏡９２１との距離を小さくすることで、共振器長の低減が有る程度は図られる。図２０は、位相分散補償部９３０のプリズム９３１と凹面鏡９２１との距離を、略０ｃｍとした場合の超短パルスレーザ装置の構成図である。図２０の装置では、図１９と同様の短パルスを発生することができるが、共振器長Ｌは１０２ｃｍが限界である。この場合、レーザパルスの繰り返し周波数ｆ＝約１４７ＭＨｚとなる。
【００１８】
本発明は、上記を鑑みてなされたものであり、レーザパルスの高繰り返し化が可能であり、装置としての小型化が可能な超短パルスレーザ装置を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の超短パルスレーザ装置は、（ａ）第１の光学部品と第２の光学部品とからなる位相分散補償部と、（ｂ）位相分散補償部の第１の光学部品と第２の光学部品との間の光路中に配設されたレーザ媒質と、（ｃ）光路中の光を短パルス化するパルス生成部と、（ｄ）レーザ光を取り出す光取り出し部と、（ｅ）複数の共振用鏡を有し、複数の共振用鏡で形成される光路中に位相分散補償部と、レーザ媒質と、パルス生成部と、光取り出し部とが配設される共振部と、（ｆ）レーザ媒質を励起する励起源とを備えることを特徴とする。
【００２０】
ここで、パルス生成部を、位相分散補償部の前記第１の光学部品と前記第２の光学部品との間の光路中に配設することが可能である。
【００２１】
請求項１の超短パルスレーザ装置は、ブリズム対などの２つ光学部品から成る位相分散補償部の２つの光学部品の間の光路中にレーザ媒質が配設される。この結果、安定したモード同期のために、共振器中のほぼ中央にレーザ媒質を配置しつつ、共振器長Ｌを低減可能となる。
【００２２】
すなわち、ブリズム対などの２つの光学部品から成る位相分散補償部で有効に位相補償するには、光学部品間の光路距離ｌを確保する必要があるが、共振器中のほぼ中央にレーザ媒質を配置する要請から、従来の装置では、
Ｌ≧２ｌ
の関係を満たさざるを得なかった。しかし、請求項１の装置では、２つ光学部品から成る位相分散補償部の２つの光学部品の間の光路中にレーザ媒質が配設されることとしたので、原理的には、
Ｌ≧ｌ
の関係を満たせばよい。
【００２３】
したがって、従来の装置の性能を維持しつつ、共振器長を半分程度にまで短くすることができる。この結果、レーザパルスの高繰り返し化が可能であり、装置としての小型化が可能となる。
【００２４】
請求項３の超短パルスレーザ装置は、請求項１または請求項２の超短パルスレーザ装置において、複数の共振用鏡の少なくとも一方の配設位置を移動する鏡移動手段を更に備えることを特徴とする。
【００２５】
請求項３の超短パルスレーザ装置では、（２）式に基づいて、パルスの繰り返し周期を決定する共振器長を変化させることができるので、パルスの繰り返し周期を可変とすることができる。
【００２６】
請求項４の超短パルスレーザ装置は、請求項１ないし請求項３の超短パルスレーザ装置において、複数の共振用鏡の反射面の少なくとも１つの光路に対する角度を変化させる鏡回転手段を更に備えることを特徴とする。
【００２７】
請求項４の超短パルスレーザ装置では、プリズム対などから成る位相分散補償部によって波長ごとに異なる光路が設定された多波長の光の中からによって所望の波長の光のみを共振光路に戻すことができるので、発生する超短パルスの波長可変とすることができる。
【００２８】
請求項５の超短パルスレーザ装置は、請求項１ないし請求項３の超短パルスレーザ装置において、共振部内の光路中に配設されたスリットと、スリットを光路に垂直な方向に移動するスリット移動手段とを更に備えることを特徴とする。
【００２９】
請求項５の超短パルスレーザ装置では、プリズム対などから成る位相分散補償部によって波長ごとに異なる光路が設定された多波長の光の中からによって所望の波長の光のみをスリットが通過させ、共振を発生させるので、発生する超短パルスの波長可変とすることができる。
【００３０】
請求項６の超短パルスレーザ装置は、請求項１ないし請求項５の超短パルスレーザ装置において、レーザ媒質は固体レーザ媒質であり、励起源は半導体レーザであることを特徴とする。
【００３１】
請求項６の超短パルスレーザ装置では、装置が全固体構成なので、取り扱いが容易な超短パルスレーザ装置を提供する。
【００３２】
請求項７の超短パルスレーザ装置は、請求項６の超短パルスレーザ装置において、半導体レーザは、マスター発振子パワー増幅器型であることを特徴とする。
【００３３】
請求項７の超短パルスレーザ装置では、固体レーザ媒質を半導体レーザで励起する場合、一般の半導体レーザでは、非点較差によって励起光を固体レーザ媒質中で小さく絞り込むことが困難であるが、マスター発振子パワー増幅器（Master Oscillator Power Amplifier；ＭＯＰＡ）型の半導体レーザを使用することにより、励起光を固体レーザ媒質中で小さく絞り込むことができるので、安定にモード同期ができる。
【００３４】
請求項８の超短パルスレーザ装置は、請求項１ないし請求項７の超短パルスレーザ装置において、複数の共振用鏡の反射面の少なくとも１つのを振動させる鏡振動手段を更に備え、複数の共振用鏡の反射面の少なくとも１つの振動によりモード同期を始動することを特徴とする。
【００３５】
請求項８の超短パルスレーザ装置では、鏡振動手段による、共振用鏡の振動によって好適にモード同期を始動する。
【００３６】
請求項９の超短パルスレーザ装置は、請求項８の超短パルスレーザ装置において、モード同期状態をモニタし、モード同期が始動したときに振動の停止を鏡振動手段へ指示し、モード同期がはずれたときに振動の開始を鏡振動手段へ指示するモニタ部を更に備えることを特徴とする。
【００３７】
請求項９の超短パルスレーザ装置では、鏡振動手段による共振用鏡の振動を開始後、モニタ部がモード同期状態をモニタする。そして、モード同期が始動したときには振動を停止し、また、モード同期がはずれたときには振動を開始して再度モード同期状態を始動する。この結果、安定してモードロック状態を維持できる。
【００３８】
請求項１０の超短パルスレーザ装置は、請求項１ないし請求項７の超短パルスレーザ装置において、パルス発生部は、固体レーザ媒質と一体に形成された光変調部と、光変調部に変調信号を供給する可変変調信号発生部とを備え、強制モード同期を行うことを特徴とする。
【００３９】
請求項１０の超短パルスレーザ装置では、パルス発生部の共振器中の部分はレーザ媒質と一体に形成されるので、共振器中にパルス生成部として独立の場所を占めない。したがって、装置の小型化が可能となる。
【００４０】
請求項１１の超短パルスレーザ装置は、請求項１０の超短パルスレーザ装置において、モード同期状態をモニタし、モード同期が始動したときに変調の停止を可変変調信号発生部へ指示し、モード同期がはずれたときに変調の開始を可変変調信号発生部へ指示するモニタ部を更に備えることを特徴とする。
【００４１】
請求項１１の超短パルスレーザ装置では、可変変調手段による変調を開始後、モニタ部がモード同期状態をモニタする。そして、モード同期が始動したときには変調を停止し、また、モード同期がはずれたときには変調を開始して再度モード同期状態を始動する。この結果、安定してモードロック状態を維持できる。
【００４２】
請求項１２の超短パルスレーザ装置は、請求項７ないし請求項１１の超短パルスレーザ装置において、固体レーザ媒質の温度を略一定温度に保持する温度調整手段を更に備えることを特徴とする。
【００４３】
請求項１２の超短パルスレーザ装置では、レーザ媒質にとって好適な動作温度（一般には、低温）にレーザ媒質の温度を維持しつつ、レーザ発振が行われる。この結果、安定した強度の超短パルスを得ることができる。
【００４４】
また、共振用鏡の数を２とし、レーザ共振器をファブリ−ペロー型として構成することも可能であるし、請求項１３のように、共振用鏡の数は３以上とし、共振光路をリング状とすることも可能である。
【００４５】
請求項１３の超短パルスレーザ装置では、レーザ媒質の配置位置を共振光路中で任意として、好適に超短パルスを発生できる。
【００４６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の超短パルスレーザ装置の実施の形態を説明する。なお、図面の説明にあたって同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００４７】
（第１実施形態）
図１は、本発明の超短パルスレーザ装置の第１実施形態の構成図である。図１に示すように、この装置は、（ａ）Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ結晶からなるレーザ媒質１００と、（ｂ）レーザ媒質１００の一方の光入出力面側に配置された凹面鏡２１０、および、光路上で凹面鏡２１０と約１０ｃｍ離れた、レーザ媒質１００の他方の光入出力面側に配置された凹面鏡２２０と、（ｃ）ＢＫ７から成るプリズム３１０およびＢＫ７から成るプリズム３２０から成り、プリズム間隔＝４６ｃｍであって、プリズム３１０とプリズム３２０との間の光路の中央部にレーザ媒質１００、凹面鏡２１０、および凹面鏡２２０が配置された位相分散補償部３００と、（ｄ）共振器の一方の端面を形成する共振器鏡５１０、および、光路上で共振器鏡５１０と６９ｃｍ離れた、共振器の他方の端面を形成する出力鏡５２０と、（ｅ）レーザ媒質１００に励起エネルギを供給する励起源４００とを備える。そして、位相分散補償部３００は、共振器鏡５１０と共振器鏡５２０との間の光路の中央部に配置される。
【００４８】
図２は、位相分散補償部３００の動作の説明図である。図２に示すように、波長が短いほどプリズム３１０、３２０での屈折率は高い。したがって、短波長の光は実線のような光路を進行し、長波長の光は破線のような光路を進行する。そして、プリズム３１０（または、プリズム３２０）に、同一光路で光が入射した後、２つのプリズム３１０、３２０を介し、プリズム３２０（または、プリズム３１０）から出力した光は波長ごとに分離しているが、互いに平行に進行する。こうしてプリズム３１０、３２０間の距離が波長によって異なることになるので、プリズム３１０、３２０間の間隔を調整することで、レーザ共振器内の位相分散を補償量を略０となるように補償し、波長ごとの位相を整える。プリズム３１０、３２０としては、一般的な正三角形プリズムを用いることができる。また、光損失を低減するためには、ブリュースタ角で入射することが好適である。この場合、プリズム３１０、３２０の頂角αは、
α＝２ｓｉｎ-1［（ｓｉｎ（ｔａｎ-1ｎ））／ｎ］    …（３）
ここで、ｎ：プリズムの屈折率
によって求められる。ＢＫ７からなるプリズム３１０、３２０の場合、α＝略６７°である。なお、光は、プリズム３１０、３２０の頂角αの頂点近傍を通過することになるので、この頂角αの頂点近傍のみがプリズム上であればよい。
【００４９】
同様の位相分散補償は、回折格子対でも可能であるが、光損失が比較的大きいので注意を要する。また、共振器鏡５１０や出力鏡５２０の誘電体多層膜コーティングの仕方によっても位相分散補償は可能であるが、設計が困難であり、また、製作後に補償量の制御ができない。
【００５０】
以上、２次の位相分散の補償についての位相補償手段を説明したが、より高次の位相分散を補償するため、他の光学素子を組合せることも可能である。
【００５１】
なお、位相分散補償部３００で発生する２次の位相分散量は５４５ｆｓｅｃ2を計算され、これ以外のレーザ共振器の位相分散量が−５４５ｆｓｅｃ2であったと考えられる。位相分散補償部３００で発生する位相分散量である５４５ｆｓｅｃ2の内、プリズム間で与えられる２次の位相分散が９３５ｆｓｅｃ2であり、プリズム３１０、３２０を約１０ｍｍ伝搬することで与えられる２次の位相分散が−３９０ｆｓｅｃ2である。
【００５２】
２次の位相分散量＝５４５ｆｓｅｃ2を与えるには、プリズム間の距離が、プリズムの材質が合成石英で約５３ｃｍ、ＳＦ１０で約２７ｃｍ、ＬａＦＮで約２６ｃｍとなる。なお、これらの値は、頂角αは（２）式より求め、ブリュースタ角での入射とした場合である。
【００５３】
励起源４００は、（i）励起光を発生する半導体レーザ４１０と、（ii）励起光をレーザ媒質１１０に集光する集光光学系４２０とを備える。
【００５４】
この装置では、まず、励起源６００がレーザ媒質１００に励起エネルギを供給する。この状態で、レーザ媒質１００で自然放射が発生すると、位相分散補償部３００によって波長による位相の分散が補償されつつ、共振器内の光路を伝搬し、誘導放射を発生させる。そして、レーザ媒質１００のカーレンズ効果によって、モード同期が始動する。こうして、モード同期したレーザ発振により、繰り返し周波数ｆ＝２１８ＭＨｚで超短パルスが得られる。
【００５５】
図１において、プリズム３１０と共振器鏡５１０との光路距離を５ｃｍとするとともに、プリズム３２０と出力鏡５２０との光路距離を５ｃｍとして、共振器長Ｌ＝５６ｃｍとすると、繰り返し周波数ｆ＝２６８ＭＨｚで超短パルスが得られる。
【００５６】
図３は、本実施形態の超短パルスレーザの変形例の構成図である。図３に示すように、この装置は、上記の本実施形態の装置の構成に加えて、（ｆ）共振器鏡５１０を振動させる振動手段５３０を更に備える。
【００５７】
振動手段５３０としては、スピーカを好適に採用可能であり、この場合には、数Ｈｚ〜２００Ｈｚ、振幅が１ｍｍ以下の振動を出力鏡５２０に付与することができる。
【００５８】
この装置では、まず、励起源６００がレーザ媒質１００に励起エネルギを供給する。一方、振動手段５３０が共振器鏡５１０に振動を付与する。この状態で、レーザ媒質１００で自然放射が発生すると、位相分散補償部３００によって波長による位相の分散が補償されつつ、共振器内の光路を伝搬し、誘導放射を発生させる。そして、レーザ媒質１００のカーレンズ効果に加えて、共振器鏡５１０の振動によってモード同期が始動する。共振器鏡５１０の振動を加えることにより、図１の装置よりも容易、かつ、確実にモード同期確立が達成できる。こうして、モード同期したレーザ発振により、繰り返し周波数ｆ＝２１８ＭＨｚで超短パルスが得られる。
【００５９】
なお、モード同期が始動したら、共振器鏡５１０の振動を停止する。
【００６０】
この装置でも、図１の装置と同様に、超短パルスが好適に得られる。
【００６１】
（第２実施例）
図４は、本発明の超短パルスレーザ装置の第２実施形態の構成図である。本実施形態の装置は、第１実施形態での使用部品の材質、大きさ、配置を工夫して共振器長Ｌを更に短くしたものである。図４に示すように、この装置は、（ａ）Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ結晶からなるレーザ媒質１００と、（ｂ）レーザ媒質１００の一方の光入出力面側に配置された凹面鏡２１２、および、光路上で凹面鏡２１２と約１５ｃｍ離れた、レーザ媒質１００の他方の光入出力面側に配置された凹面鏡２２２と、（ｃ）ＬａＦＮ２８から成るプリズム３１２およびＬａＦＮ２８から成るプリズム３２１から成り、プリズム間の光路距離＝２８ｃｍであって、プリズム３１２とプリズム３２２との間の光路の中央部にレーザ媒質１００が配置された位相分散補償部３０２と、（ｄ）共振器の一方の端面を形成する共振器鏡５１２、および、光路上で共振器鏡５１２と３０ｃｍ離れた、共振器の他方の端面を形成する出力鏡５２２と、（ｅ）共振器鏡５１２を振動させる振動手段５３０と、（ｆ）レーザ媒質１００に励起エネルギを供給する励起源４００とを備える。そして、位相分散補償部３０２は、共振器鏡５１２と共振器鏡５２２との間の光路の中央部に配置される。
【００６２】
本実施形態では、第１実施形態と同様にして、超短パルスを発生するが、共振器長Ｌ＝約３０ｃｍとしたので、繰り返し周波数＝約５００ＭＨｚに達する。
【００６３】
（第３実施例）
図５は、本発明の超短パルスレーザ装置の第３実施形態の構成図である。本実施形態の装置は、レーザ媒質として色素レーザ媒質を使用したものである。図５に示すように、この装置は、（ａ）色素レーザ媒質からなるレーザ媒質１０３と、（ｂ）レーザ媒質１０３の一方の光入出力面側に配置された凹面鏡２１０、および、レーザ媒質１０３の他方の光入出力面側に配置された凹面鏡２２０と、（ｃ）ＢＫ７から成るプリズム３１０およびＢＫ７から成るプリズム３２０から成り、プリズム３１１とプリズム３２１との間の光路の中央部にレーザ媒質１０３が配置された位相分散補償部３０３と、（ｄ）プリズム３１１とプリズム３２１との間の光路中であって、凹面鏡２１０と凹面鏡２２０との間の光路とは異なる光路中に配置された可飽和吸収色素媒質６１３と、（ｅ）可飽和吸収色素媒質６１３の一方の光入出力面側に配置された凹面鏡６２３、および、可飽和吸収色素媒質６１３の他方の光入出力面側に配置された凹面鏡６３３と、（ｆ）共振器の一方の端面を形成する共振器鏡５１０、および、共振器の他方の端面を形成する出力鏡５２０と、（ｇ）レーザ媒質１０３に励起エネルギを供給する励起源４００とを備える。そして、位相分散補償部３０３は、共振器鏡５１０と共振器鏡５２０との間の光路の中央部に配置される。
【００６４】
この装置では、まず、励起源６００がレーザ媒質１０３に励起エネルギを供給する。この状態で、レーザ媒質１０３で自然放射が発生すると、位相分散補償部３００によって波長による位相の分散が補償されつつ、共振器内の光路を伝搬し、誘導放射を発生させる。そして、可飽和吸収色素媒質６１３の作用によってモード同期が始動する。こうして、モード同期したレーザ発振により、超短パルスが得られる。
【００６５】
（第４実施形態）
図６は、本発明の超短パルスレーザ装置の第４実施形態の構成図である。図６に示すように、本実施形態の装置は、第３実施形態と比べて、可飽和色素媒質６１３、凹面鏡６２３、および凹面鏡６３３が、位相分散補償部３０３を構成するプリズム対間の光路中にないことが異なる。
【００６６】
この装置では、第３実施形態と同様にして、モード同期したレーザ発振が起こり、超短パルスが得られる。
【００６７】
（第５実施形態）
図７は、本発明の超短パルスレーザ装置の第５実施形態の構成図である。図７に示すように、この装置は、（ａ）Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ結晶からなるレーザ媒質１００と、（ｂ）レーザ媒質１００の一方の光入出力面側に配置された凹面鏡２１０、および、光路上で凹面鏡２１０と約１０ｃｍ離れた、レーザ媒質１００の他方の光入出力面側に配置された凹面鏡２２０と、（ｃ）ＢＫ７から成るプリズム３１０およびＢＫ７から成るプリズム３２０から成り、プリズム間隔＝４６ｃｍであって、プリズム３１０とプリズム３２０との間の光路の中央部にレーザ媒質１００、凹面鏡２１０、および凹面鏡２２０が配置された位相分散補償部３００と、（ｄ）共振器の一方の端面を形成する共振器鏡５１０、および、共振器の他方の端面を形成する出力鏡５２０と、（ｅ）共振器鏡５１０を振動させる振動手段５３０と、（ｆ）レーザ媒質１００に励起エネルギを供給する励起源４００と、（ｇ）共振器鏡５１０の光軸上の位置を変化させる搬送器５６０と、（ｈ）出力鏡５２０の光軸上の位置を変化させる搬送器５７０と、を備える。そして、位相分散補償部３００は、共振器鏡５１０と共振器鏡５２０との間の光路の中央部に配置される。すなわち、この装置は、第１実施形態と比べて、搬送器５６０および搬送器５７０を更に備える点が異なる。
【００６８】
本実施例の装置では、まず、レーザ媒質１００が共振光路の中央部にあることを維持しつつ、搬送器５６０によって共振器鏡５１０の位置を設定するとともに、搬送器５７０によって出力鏡５２０の位置を設定する。こうして、共振器構造、すなわち、共振器長Ｌが設定される。
【００６９】
以後、第１実施形態と同様に動作して、共振器長Ｌに応じた繰り返し周波数で、超短パルスを発生する。なお、本実施形態の装置では、繰り返し周波数を１００ＭＨｚ程度から約３００ＭＨｚまでの範囲から選択できる。
【００７０】
本実施形態では、共振器鏡５１０および出力鏡５２０の双方を移動して、レーザ媒質１００が共振光路の中央部にあることを維持したが、レーザ媒質１００から出力鏡５２０までの距離がレーザ媒質１００から共振器鏡５１０までの距離の１／３〜３倍程度であれば、共振器鏡５１０および出力鏡５２０のいずれか一方のみを移動してもよい。この場合、モード同期が少々不安定になるが、この不安定さを解消する手段を更に付加するが可能である。
【００７１】
なお、第２実施形態の装置で更に搬送器５６０および搬送器５７０を備えることとすれば、繰り返し周波数を１００ＭＨｚ程度から約５００ＭＨｚまでの範囲から選択できる。
【００７２】
（第６実施形態）
図８は、本発明の超短パルスレーザ装置の第６実施形態の構成図である。図８に示すように、この装置は、第１実施形態と比べて、半導体レーザ４１０として、マスタ発振子パワー増幅器（ＭＯＰＡ）型の半導体レーザ（以後、単に、ＭＯＰＡと呼ぶ）４１１を使用した点のみが異なる。
【００７３】
図９は、ＭＯＰＡの構成図である。図９（ａ）には、素子分離型のテーパ半導体レーザ増幅型ＭＯＰＡの構成を示し、図９（ｂ）には、素子一体型のテーパ半導体レーザ増幅型ＭＯＰＡの構成を示す。
【００７４】
いずれのＭＯＰＡも、マスタ発振子部とマスタ発振子の発振子と光学的に結合されたパワー増幅器部とから構成される。
【００７５】
励起光のレーザ媒質１００中の強度密度を大きくする必要がある。このため、一般の半導体レーザで大出力のものを採用すると、大出力半導体レーザでは活性層の断面積を大きいので、集光が困難である。これに対して、ＭＯＰＡでは、まず、活性層の小さな発振し、その後にパワー増幅しているので、集光が容易な大出力レーザ光を得ることができる。
【００７６】
なお、ＭＯＰＡには、上記のテーパ半導体レーザ増幅型以外に、回折格子共振器型がある。
【００７７】
したがって、本実施形態の装置では、励起光のレーザ媒質１００中の強度密度を大きくすることができ、好適な超短パルスを得ることができる。
【００７８】
（第７実施形態）
図１０は、本発明の超短パルスレーザ装置の第７実施形態の構成図である。図１０に示すように、この装置は、第１実施形態と比べて、モード同期状態をモニタし、モード同期が始動したときに振動の停止を振動手段５３０へ指示し、モード同期がはずれたときに振動の開始を振動手段５３０へ指示するモニタ部７１０を更に備える点が異なる。
【００７９】
図１１は、モニタ部７１０の構成図である。図１１に示すように、モニタ部７１０は、（i）プリズム３２０の光入射面での反射光を入力し、第２次高調波光（ＳＨＧ光）を発生する電気光学結晶７１１と、（ii）第２次高調波光のみを透過する波長フィルタ７１２と、（iii）波長フィルタ７１２を介した光を入力し光強度を検出する光検出器とを備える。電気光学結晶７１１としては、ＬｉＩＯ3結晶やＡＤＰ（ammonium dihydrogen phosphate）結晶などが好適に採用可能である。
【００８０】
モードロック状態になると共振器中の光の強度が大きくなるので、プリズム３２０の光入射面での反射光が電気光学結晶７１１に入射すると、ＳＨＧ光強度が増大する。この光強度変化を光検出器７１３で検出することにより、モード同期状態のモニタができる。
【００８１】
この装置では、第１実施例と同様にして、超短パルスを発生するが、モード同期状態をモニタし、モード同期が始動したときには振動の停止し、また、モード同期がはずれたときには振動の開始して再度モード同期状態を始動する。この結果、安定してモードロック状態を維持でき、安定して超短パルスを得ることができる。
【００８２】
（第８実施形態）
図１２は、本発明の超短パルスレーザ装置の第８実施形態の構成図である。図１２に示すように、この装置は、第１実施形態と比べて、光路に対して共振器鏡５１０の角度を変化させる回転手段５４０を更に備える点が異なる。
【００８３】
この装置では、回転手段５４０によって光路に対して共振器鏡５１０の角度を変化させる。この結果、位相分散補償部３００によって波長ごとに異なる光路が設定された多波長の光の中からによって所望の波長の光のみを共振光路に戻す。この結果、発生する超短パルスの波長を可変とすることができる。
【００８４】
（第９実施形態）
図１３は、本発明の超短パルスレーザ装置の第９実施形態の構成図である。図１３に示すように、この装置は、第１実施形態と比べて、共振光路中に配設されたスリット７２１とスリット７２１を光路に垂直な方向に移動するスリット移動手段７２２とを更に備える点が異なる。
【００８５】
この装置では、スリット移動手段７２２によってスリット７２１を光軸に垂直方向に移動させる。この結果、位相分散補償部３００によって波長ごとに異なる光路が設定された多波長の光の中からによって所望の波長の光のみを共振光とする。こうして、発生する超短パルスの波長を可変とすることができる。
【００８６】
（第１０実施形態）
図１４は、本発明の超短パルスレーザ装置の第１０実施形態の構成図である。図１４に示すように、この装置は、第１実施形態と比べて、共振器鏡５８０を更に備え、共振光路をリング状とした点が異なる。
【００８７】
この装置では、共振光路がリング状となっているので、レーザ媒質１００の配置位置を共振光路中で任意として、好適に超短パルスを発生できる。
【００８８】
なお、レーザパルスの繰り返し周波数ｆは、
ｆ＝ｃ／Ｌ
ここで、Ｌ＝共振器長
となる。
【００８９】
（第１１実施形態）
図１５は、本発明の超短パルスレーザ装置の第１１実施形態の構成図である。図１５に示すように、この装置は、第１実施形態と比べて、振動手段５３０を備えず、レーザ媒質と一体化したトランスデューサ５５１と、トランスデューサ５５１に変調信号を供給する可変変調信号発生部５５２とを備える点が異なる。
【００９０】
図１６は、トランスデューサ５５１の構成図である。図１６に示すように、ＬｉＮｂＯ3層を備えて、トランスデューサ機能を実現している。共振条件を満たすＬｉＮｂＯ3層の厚さｄは、
ｄ＝Λ（２ｎ＋１）／２
Λ＝ν／ｆ
ここで、Λ：ＬｉＮｂＯ3層を進行する超音波の波長
ν：超音波の進行方向でのＬｉＮｂＯ3層内での速度
ｆ：印加周波数
ｎ：整数
ここで、ｆ＝２６８ＭＨｚ、ν＝７．２×１０5ｃｍ／ｓｅｃ、ｎ＝１を与えると、ＬｉＮｂＯ3層の厚さｄ＝２１６μｍとなる。
【００９１】
本実施形態の装置では、まず、励起源６００がレーザ媒質１００に励起エネルギを供給する。一方、可変変調信号発生部５５２がトランスデューサ５５１に変調信号を供給する。この状態で、レーザ媒質１００で自然放射が発生すると、位相分散補償部３００によって波長による位相の分散が補償されつつ、共振器内の光路を伝搬し、強制モード同期されて誘導放射が発生させる。そして、出力鏡５２０の振動によってモード同期が始動する。こうして、モード同期したレーザ発振により、超短パルスが得られる。
【００９２】
本実施形態の装置では、パルス発生部の共振器中の部分はレーザ媒質と一体に形成されるので、共振器中にパルス生成部として独立の場所を占める必要がない。したがって、装置の小型化が可能となる。
【００９３】
（第１２実施形態）
図１７は、本発明の超短パルスレーザ装置の第１１実施形態の構成図である。図１７に示すように、この装置は、第１実施形態と比べて、レーザ媒質１００の温度を調整する温度調整部１５０を更に備えることができる。
【００９４】
図１８は、温度調整部１５０の構成図である。図１８に示すように、温度調整部１５０は、（i）レーザ媒質と密着したペルチェ素子１５１と、（ii）ペルチェ素子１５１と密着した放熱部１５２とを備える。
【００９５】
本実施形態の装置では、レーザ媒質１００にとって好適な動作温度（一般には、低温）にレーザ媒質１００の温度を維持しつつ、レーザ発振が行われる。この結果、安定した強度の超短パルスを得ることができる。
【００９６】
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく変形が可能である。例えば、第１実施形態に対する第７実施形態への変形は、第１１実施形態に対しても可能である。
【００９７】
【発明の効果】
以上、詳細に説明した通り、本発明の超短パルスレーザ装置によれば、ブリズム対などの２つ光学部品から成る位相分散補償部の２つの光学部品の間の光路中にレーザ媒質が配設される。この結果、安定したモード同期のために、共振器中のほぼ中央にレーザ媒質を配置しつつ、共振器長Ｌを低減可能となる。したがって、繰り返し周波数を向上して、超短パルス光を得ることができる。
【００９８】
また、共振器Ｌを可変とすることにより、パルスの繰り返し周波数を可変とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の超短パルスレーザ装置の構成図である。
【図２】位相分散補償部の説明図である。
【図３】本発明の第１実施形態の変形例の超短パルスレーザ装置の構成図である。
【図４】本発明の第２実施形態の超短パルスレーザ装置の構成図である。
【図５】本発明の第３実施形態の超短パルスレーザ装置の構成図である。
【図６】本発明の第４実施形態の超短パルスレーザ装置の構成図である。
【図７】本発明の第５実施形態の超短パルスレーザ装置の構成図である。
【図８】本発明の第６実施形態の超短パルスレーザ装置の構成図である。
【図９】ＭＯＰＡの構成図である。
【図１０】本発明の第７実施形態の超短パルスレーザ装置の構成図である。
【図１１】モニタ部７１０の構成図である。
【図１２】本発明の第８実施形態の超短パルスレーザ装置の構成図である。
【図１３】本発明の第９実施形態の超短パルスレーザ装置の構成図である。
【図１４】本発明の第１０実施形態の超短パルスレーザ装置の構成図である。
【図１５】本発明の第１１実施形態の超短パルスレーザ装置の構成図である。
【図１６】トランスデューサ５５０の構成図である。
【図１７】本発明の第１２実施形態の超短パルスレーザ装置の構成図である。
【図１８】温度調整部１５０の説明図である。
【図１９】従来の超短パルスレーザ装置の構成図である。
【図２０】従来の超短パルスレーザ装置の構成図である。
【符号の説明】
１００，１０３…レーザ媒質、１５０…温度調整部、１５１…ペルチェ素子、１５２…放熱部、２１０，２１２，２２０，２２２…凹面鏡、３００，３０２…位相分散補償部、３１０，３１２，３２０，３２２…プリズム、４００…励起源、４１０…半導体レーザ、４１１…ＭＯＰＡ、４２０…集光光学系、５１０，５８０…共振器鏡、５２０…出力鏡、５３０…移動手段、５４０…回転手段、５６０，５７０…搬送器、６１３…可飽和吸収体、６２３，６３３…凹面鏡、７１０…モニタ部、７１１…電気光学結晶、７１２…波長フィルタ、７１３…光検出器、７２１…スリット、７２２…スリット移動手段。
【図１】
0003734560.tif 000002
【図２】
0003734560.tif 000003
【図３】
0003734560.tif 000004
【図４】
0003734560.tif 000005
【図５】
0003734560.tif 000006
【図６】
0003734560.tif 000007
【図７】
0003734560.tif 000008
【図８】
0003734560.tif 000009
【図９】
0003734560.tif 000010
【図１０】
0003734560.tif 000011
【図１１】
0003734560.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
0003734560.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
0003734560.tif 000019
【図１９】
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【図２０】
0003734560.tif 000021