(57)【要約】  ２以上のモード同期レーザの繰り返し率を受動的に同期させる方法と装置について説明されている。この方法と装置は、第１のモード同期レーザ（２）の出力フィールドの第１の部分を分離することによって、第１の同期光フィールド（６）を形成するステップと、次いで第１の同期光フィールドの方向を変えて、第２のモード同期レーザ（３）用の駆動信号を形成するステップとを含む。この技術を採用することで、１ｆｓ未満のタイミングジッタを有するシステムが得られる。この方法は、モード同期レーザが動作している波長と偏光に無関係であるため、特定のタイプのモード同期レーザの使用に限定されない。この技術は受動的であるため、電子機器、可変時間遅延経路、または追加的な非線形の光学結晶の使用を必要としない。したがって、この方法と装置は、当分野の既知のものに比べて大幅に複雑ではなく、追加的な非線形の光学プロセスによって電力が制限されない。第１のモード同期レーザ（２）の出力の一部（７）が、ビームスプリッタ（９）と、ビームステアリングミラー（１１、１２）と、半波長板（１５）を介して、第２のモード同期レーザ（３）のビームラインにおける偏光子（１３）へ向けられる。第１のモード同期レーザ（２）からのシーディングと同期信号は、第２のモード同期レーザ（３）の偏光に対して垂直に偏光させることができ、異なる波長を有することができる。【選択図】図１
2020500428.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２以上のモード同期レーザの繰り返し率を同期させる方法において、当該方法が：
２以上のモード同期レーザのうちの第１のモード同期レーザの出力フィールドの第１の部分を分離することによって、第１の同期光フィールドを形成するステップと；
前記第１の同期光フィールドの方向を変えて、２以上のモード同期レーザのうちの第２のモード同期レーザ用の光駆動信号を形成するステップと；を具えることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載された２以上のモード同期レーザの繰り返し率を同期させる方法において、前記第１の同期光フィールドが、前記第２のモード同期レーザの出力カプラまたは端部ミラーを介して、前記第２のモード同期レーザ内へと向けられることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１に記載された２以上のモード同期レーザの繰り返し率を同期させる方法において、前記第１の同期光フィールドが、前記第２のモード同期レーザのキャビティ内の要素を介して、前記第２のモード同期レーザ内へと向けられることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項に記載された２以上のモード同期レーザの繰り返し率を同期させる方法において、前記２以上のモード同期レーザの出力フィールドが同じ偏光を有することを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項４に記載された２以上のモード同期レーザの繰り返し率を同期させる方法において、前記２以上のモード同期レーザの出力フィールドが、直線偏光であることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項４または５に記載された２以上のモード同期レーザの繰り返し率を同期させる方法において、前記第１の同期光フィールドの偏光が、前記第１のモード同期レーザの出力フィールドの偏光と同じであることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６に記載された２以上のモード同期レーザの繰り返し率を同期させる方法において、前記第１の同期光フィールドの方向を変えるステップが、さらに、前記第１の同期光フィールドの偏光を変化させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７に記載された２以上のモード同期レーザの繰り返し率を同期させる方法において、前記第１の同期光フィールドの偏光を変化させるステップが、前記第１の同期光フィールドの偏光を９０°回転させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載された２以上のモード同期レーザの繰り返し率を同期させる方法が、さらに、前記第１のモード同期レーザの出力フィールドの１以上の追加的な部分を分離することによって、１以上の追加的な同期光フィールドを形成するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９に記載された２以上のモード同期レーザの繰り返し率を同期させる方法が、さらに、前記１以上の追加的な同期光フィールドの方向を変えて、１以上の追加的なモード同期レーザ用のフィードバック信号を形成するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載された２以上のモード同期レーザの繰り返し率を同期させる方法において、前記１以上の追加的な同期光フィールドが、前記１以上の追加的なモード同期レーザの出力カプラまたは端部ミラーを介して、前記１以上の追加的なモード同期レーザ内へと向けられることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１０に記載された２以上のモード同期レーザの繰り返し率を同期させる方法において、前記１以上の追加的な同期光フィールドが、前記１以上の追加的なモード同期レーザのキャビティ内の要素を介して、前記１以上の追加的なモード同期レーザ内へと向けられることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項９乃至１２のいずれか１項に記載された２以上のモード同期レーザの繰り返し率を同期させる方法において、前記１以上の追加的な同期光フィールドの偏光が、前記第１のモード同期レーザの出力フィールドの偏光と同じであることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載された２以上のモード同期レーザの繰り返し率を同期させる方法において、前記１以上の追加的な同期光フィールドの方向を変えるステップが、さらに、前記１以上の追加的な同期光フィールドの偏光を変化させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載された２以上のモード同期レーザの繰り返し率を同期させる方法において、前記１以上の追加的な同期光フィールドの偏光を変化させるステップが、前記１以上の追加的な同期光フィールドの偏光を９０°回転させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載された２以上のモード同期レーザの繰り返し率を同期させる方法が、さらに、ｎ番目のモード同期レーザの出力フィールドの第１の部分を分離することによって、ｎ番目の同期光フィールドを形成するステップを含み、ｎは１よりも大きい整数であることを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載された２以上のモード同期レーザの繰り返し率を同期させる方法が、さらに、前記ｎ番目の同期光フィールドの方向を変えて、ｎ＋１番目のモード同期レーザ用のフィードバック信号を形成するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１２または１３に記載された２以上のモード同期レーザの繰り返し率を同期させる方法において、ｎ番目の同期光フィールドの偏光が、ｎ番目のモード同期レーザの出力フィールドの偏光と同じであることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載された２以上のモード同期レーザの繰り返し率を同期させる法において、ｎ番目の同期光フィールドが、ｎ＋１番目の追加的なモード同期レーザの出力カプラまたは端部ミラーを介して、ｎ＋１番目のモード同期レーザ内へ向けられることを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１８に記載された２以上のモード同期レーザの繰り返し率を同期させる法において、ｎ番目の同期光フィールドが、１以上の追加的なモード同期レーザのキャビティ内の要素を介して、ｎ＋１番目のモード同期レーザ内へ向けられることを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１８乃至２０のいずれか１項に記載された２以上のモード同期レーザの繰り返し率を同期させる方法において、ｎ番目の同期光フィールドの方向を変えるステップが、さらに、ｎ番目の同期光フィールドの偏光を変化させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載された２以上のモード同期レーザの繰り返し率を同期させる法において、ｎ番目の同期光フィールドの偏光を変化させるステップが、ｎ番目の同期光フィールドの偏光を９０°回転させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２３】
繰り返し率が同期したレーザシステムにおいて、当該レーザシステムが：
各々が出力フィールドを生成する２以上のモード同期レーザと；
ビームスプリッタであって、２以上のモード同期レーザのうちの第１のモード同期レーザの出力フィールドの第１の部分を分離することによって、第１の同期光フィールドを形成する手段を提供するビームスプリッタと；
１以上のビームステアリング光学素子であって、前記第１の同期光フィールドの方向を変えて、２以上のモード同期レーザのうちの第２のモード同期レーザ用の光フィードバック信号を形成する手段を提供するビームステアリング光学素子と；を具えることを特徴とするレーザシステム。
【請求項２４】
請求項２３に記載された繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムにおいて、前記第１の同期光フィールドが、前記第２のモード同期レーザの出力カプラまたは端部ミラーを介して、前記第２のモード同期レーザ内へ向けられることを特徴とするレーザシステム。
【請求項２５】
請求項２３に記載された繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムにおいて、前記第１の同期光フィールドが、前記第２のモード同期レーザのキャビティ内の要素を介して、前記第２のモード同期レーザ内へ向けられることを特徴とするレーザシステム。
【請求項２６】
請求項２３乃至２５のいずれか１項に記載した繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムにおいて、前記２以上のモード同期レーザの出力フィールドが、同じ偏光を有することを特徴とするレーザシステム。
【請求項２７】
請求項２６に記載された繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムにおいて、前記２以上のモード同期レーザの出力フィールドが直線偏光であることを特徴とするレーザシステム。
【請求項２８】
請求項２６または２７に記載された繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムにおいて、前記第１の同期光フィールドの偏光が、前記第１のモード同期レーザの出力フィールドでの偏光と同じであることを特徴とするレーザシステム。
【請求項２９】
請求項２８に記載された繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムにおいて、当該繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムが、さらに、前記第１の同期光フィールドの偏光を変化させる手段を提供する波長板を具えることを特徴とするレーザシステム。
【請求項３０】
請求項２９に記載した繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムにおいて、前記波長板が半波長板を有することを特徴とするレーザシステム。
【請求項３１】
請求項２３乃至３０のいずれか１項に記載された繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムにおいて、当該繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムが、さらに、１以上の追加的なビームスプリッタを具え、当該１以上の追加的なビームスプリッタが、前記第１のモード同期レーザの出力フィールドの１以上の追加的な部分を分離することによって、１以上の追加的な同期光フィールドを形成する手段を提供することを特徴とするレーザシステム。
【請求項３２】
請求項３１に記載された繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムにおいて、当該繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムが、さらに、１以上のビームステアリング光学素子を具え、当該１以上のビームステアリング光学素子が、１以上の追加的な同期光フィールドの方向を変えて、１以上の追加的なモード同期レーザ用のフィードバック信号を形成する手段を提供することを特徴とするレーザシステム。
【請求項３３】
請求項３１に記載された繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムにおいて、１以上の追加的な同期光フィールドが、１以上の追加的なモード同期レーザの出力カプラまたは端部ミラーを介して、１以上の追加的なモード同期レーザ内へ向けられることを特徴とするレーザシステム。
【請求項３４】
請求項３１に記載された繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムにおいて、１以上の追加的な同期光フィールドが、１以上の追加的なモード同期レーザのキャビティ内の要素を介して、１以上の追加的なモード同期レーザ内へ向けられることを特徴とするレーザシステム。
【請求項３５】
請求項３１または３４に記載された繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムにおいて、１以上の追加的な同期光フィールドの偏光が、前記第１のモード同期レーザの出力フィールドの偏光と同じであることを特徴とするレーザシステム。
【請求項３６】
請求項３５に記載された繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムにおいて、当該繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムが、さらに、１以上の追加的な波長板を具え、当該波長板が、１以上の追加的な同期光フィールドの偏光を変化させる手段を提供することを特徴とするレーザシステム。
【請求項３７】
請求項３６に記載された繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムにおいて、前記１以上の追加的な波長板が半波長板を有することを特徴とするレーザシステム。
【請求項３８】
請求項２３乃至３０のいずれか１項に記載した繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムにおいて、当該繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムが、さらに、１以上の追加的なビームスプリッタを具え、当該１以上の追加的なビームスプリッタが、ｎ番目のモード同期レーザの出力フィールドの第１の部分を分離することによって、ｎ番目の同期光フィールドを形成する手段を提供し、ｎは１より大きい整数であることを特徴とするレーザシステム。
【請求項３９】
請求項３８に記載された繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムにおいて、当該繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムが、さらに、１以上のビームステアリング光学素子を具え、当該ビームステアリング光学素子が、ｎ番目の同期光フィールドにｎ＋１番目のモード同期レーザ用のフィードバック信号を形成する手段を提供することを特徴とするレーザシステム。
【請求項４０】
請求項３９に記載された繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムにおいて、ｎ番目の同期光フィールドが、ｎ＋１番目の追加的なモード同期レーザの出力カプラまたは端部ミラーを介して、ｎ＋１番目のモード同期レーザ内へと向けられることを特徴とするレーザシステム。
【請求項４１】
請求項３９に記載された繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムにおいて、ｎ番目の同期光フィールドが、１以上の追加的なモード同期レーザのキャビティ内の要素を介して、ｎ＋１番目のモード同期レーザ内へ向けられることを特徴とするレーザシステム。
【請求項４２】
請求項３８乃至４１のいずれか１項に記載された繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムにおいて、ｎ番目の同期光フィールドの偏光が、ｎ番目のモード同期レーザの出力フィールドの偏光と同じであることを特徴とするレーザシステム。
【請求項４３】
請求項４２に記載された繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムにおいて、当該繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムが、さらに、ｎ番目の同期光フィールドの偏光を変化させる手段を提供する１以上の追加的な波長板を具えることを特徴とするレーザシステム。
【請求項４４】
請求項４３に記載された繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムにおいて、前記１以上の追加的な波長板が半波長板を有することを特徴とするレーザシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザの分野で、特に２以上のモード同期レーザにおける繰り返し率の同期のための方法と装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーレンズモード同期（ＫＬＭ）レーザは、超短パルス光源の研究と開発に革命をもたらした。以下の記述で用いられる「超短」パルスという用語は、約１００ピコ秒（ｐｓ）から数フェムト秒（ｆｓ）までの持続時間を有するパルスを指す。この技術は、チタンドープサファイア（Ｔｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅ）、イッテルビウムドープタングステン酸ガドリニウムカリウム（Ｙｂ：ＫＧＷ）、クロムドープフォルステライト（Ｃｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅ）およびクロムドープイットリウムアルミニウムガーネット（Ｃｒ：ＹＡＧ３）などの多くの固体レーザーに首尾よく適用されてきた。これらのフェムト秒レーザは異なる波長で出力を生成するので、分光学の研究者に様々な目的のための機器の選択肢を提供する。
【０００３】
異なる波長で稼働する２以上のレーザ源の繰り返し率を同期させる能力は、上述のモード同期レーザ源における大いに望ましい発展である。「Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ」第２０巻、第８号、９１６−９１８頁には、２フェムト秒未満のパルスジッタを有する波長可変の２色モード同期チタン：サファイアレーザが記載されている。しかしながら、ここに記載されたシステムは一つの利得媒体を共有するため、ビーム間の大きな重なりを有するという同期要件を満たさなければならない必要性から、レーザ性能、特に効率性は妥協したものとなる。記載されたシステムのさらなる欠点は、独立した２つのポンプビームを使用して整列させる必要があることである。
【０００４】
チタン：サファイアレーザおよびクロム：フォステライトレーザの繰り返し率を同期させる別の技術が、「Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ」第２８巻、第１１号、９４７−９４９頁に開示されている。この技術は、電気的フィードバック信号の使用に基づいて、２つの独立したレーザキャビティを同期させている。ここで開示された技術は極めて複雑であり、一般的に複雑にバランスのとれた相互相関器の使用を必要とする。このようなシステムは、比較的高いタイミングジッタおよびランダムな相対時間遅延という問題点を示すことが知られている。
【０００５】
チタン：サファイアレーザおよびクロム：フォステライトレーザを受動的に同期させる技術が、「Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ」第２６巻、第２２号、１８０６−１８０８頁に開示されている。２つのチタン：サファイアレーザを受動的に同期させる同様の技術が、「Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ」第３０巻、第１６号、２１６１−２１６３頁に開示されている。この技術は、２つの独立したモード同期レーザキャビティを、追加のカー媒体と連結することにより実現する。上述の電気的フィードバック信号の技術よりも簡潔ではあるが、これらのシステムは、連結媒体が開示されたシステムの複雑性を著しく増加させるため、設計の自由度が制限されて特定のキャビティ設計が必要となる。
【発明の概要】
【０００６】
したがって、本発明の一実施例の目的は、当分野で既知のモード同期レーザを同期させる方法および装置における上述の欠点を除去し、または少なくとも軽減させることである。
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、２以上のモード同期レーザの繰り返し率を同期させる方法が提供され、当該方法が：２以上のモード同期レーザのうちの第１のモード同期レーザの出力フィールドの第１の部分を分離することによって、第１の同期光フィールドを形成するステップと；第１の同期光フィールドの方向を変えて、２以上のモード同期レーザのうちの第２のモード同期レーザ用の光駆動信号を形成するステップと；を具える。
【０００８】
上記方法によって、タイミングジッタが１ｆｓ未満で、２以上のモード同期レーザの繰り返し率の受動的な同期が達成される。この方法は、モード同期レーザが稼働している波長とは無関係である。このことは、当該方法が、モード同期レーザのタイプの特定の組合せによる使用に限定されないことを意味している。本方法および装置は受動的であるため、いかなる電子機器、可動部品、またはフィードバック信号の追加的な外部生成を用いる必要はない。結果として、本方法は、当該分野で既知のものよりも顕著に複雑ではなく、追加的な非線形の光学プロセスによって電力が制限されない。
【０００９】
第１の同期光フィールドが、第２のモード同期レーザの出力カプラまたは端部ミラーを介して、第２のモード同期レーザ内へ向けられることが好ましい。代替的には、例えばブリュースタープレートや他の部分的に反射する光学要素のような、第２のモード同期レーザのキャビティ内の要素を介して、第１の同期光フィールドが第２のモード同期レーザ内へと向けられる。
【００１０】
２以上のモード同期レーザの出力フィールドは、同じ偏光を有することが好ましい。好ましくは、２以上のモード同期レーザの出力フィールドは、直線偏光である。
【００１１】
最も好ましくは、第１の同期光フィールドの偏光は、第１のモード同期レーザの出力フィールドでの偏光と同じである。
【００１２】
選択的に、第１の同期光フィールドの方向を変えるステップは、さらに、第１の同期光フィールドの偏光を変化させるステップを含む。第１の同期光フィールドの偏光を変化させるステップが、第１の同期光フィールドの偏光を９０°回転させるステップを含むことが、最も好ましい。
【００１３】
最も好ましくは、本方法が、さらに、第１のモード同期レーザの出力フィールドの１以上の追加的な部分を分離することにより、１以上の追加的な同期光フィールドを形成するステップを含む。
【００１４】
本方法は、さらに、１以上の追加的な同期光フィールドの方向を変えて、１以上の追加的なモード同期レーザ用の駆動信号を形成するステップを含むことが好ましい。
【００１５】
好ましくは、１以上の追加的な同期光フィールドは、１以上の追加的なモード同期レーザの出力カプラまたは端部ミラーを介して、１以上の追加的なモード同期レーザ内に向けられる。代替的には、１以上の追加的な同期光フィールドは、ブリュースタープレートや他の部分的に反射する光要素のような、１以上の追加的なモード同期レーザのキャビティ内の要素を介して、１以上の追加的なモード同期レーザ内へ向けられる。
【００１６】
１以上の追加的な同期光フィールドの偏光は、第１のモード同期レーザの出力フィールドの偏光と同じであることが最も好ましい。
【００１７】
選択的に、１以上の追加的な同期光フィールドの方向を変えるステップが、さらに、１以上の追加的な同期光フィールドの偏光を変化させるステップを含む。１以上の追加的な同期光フィールドの偏光を変化させるステップが、１以上の追加的な同期光フィールドの偏光を９０°回転させるステップを含むことが、最も好ましい。
【００１８】
代替的に、本方法は、さらに、ｎ番目のモード同期レーザの出力フィールドの第１の部分を分離することによって、ｎ番目の同期光フィールドを形成するステップを含む。ｎは１より大きい整数である。
【００１９】
本方法は、さらに、ｎ番目の同期光フィールドの方向を変えて、ｎ＋１番目のモード同期レーザ用の駆動信号を形成するステップを含むことが好ましい。
【００２０】
最も好ましくは、ｎ番目の同期光フィールドの偏光は、ｎ番目のモード同期レーザの出力フィールドの偏光と同じである。
【００２１】
選択的に、ｎ番目の同期光フィールドの方向を変えるステップが、さらに、ｎ番目の同期光フィールドの偏光を変化させるステップを含む。ｎ番目の同期光フィールドの偏光を変化させるステップが、ｎ番目の同期光フィールドの偏光を９０°回転させるステップを含むことが、最も好ましい。
【００２２】
本発明の第２の態様によれば、繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムが提供され、当該システムが：それぞれが出力フィールドを生成する２以上のモード同期レーザと；ビームスプリッタであって、２以上のモード同期レーザのうちの第１のモード同期レーザの出力フィールドの第１の部分を分離することによって、第１の同期光フィールドを形成する手段を提供するビームスプリッタと；１以上のビームステアリング光学素子であって、第１の同期光フィールドの方向を変えて、２以上のモード同期レーザのうちの第２のモード同期レーザの光駆動信号を形成する手段を提供するビームステアリング光学素子と；を具える。
【００２３】
第１の同期光フィールドが、第２のモード同期レーザの出力カプラまたは端部ミラーを介して、第２のモード同期レーザ内へ向けられることが好ましい。代替的には、例えばブリュースタープレートや他の部分的に反射する光学要素のような、第２のモード同期レーザのキャビティ内の要素を介して、第１の同期光フィールドが第２のモード同期レーザ内へと向けられる。
【００２４】
２以上のモード同期レーザの出力フィールドは、同じ偏光を有することが好ましい。好ましくは、２以上のモード同期レーザの出力フィールドは、直線偏光である。
【００２５】
最も好ましくは、第１の同期光フィールドの偏光は、第１のモード同期レーザの出力フィールドでの偏光と同じである。
【００２６】
選択的に、繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムが、さらに、第１の同期光フィールドの偏光を変化させる手段を提供する波長板を具える。最も好ましくは、波長板が半波長板を有する。
【００２７】
選択的に、繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムが、さらに、１以上の追加的なビームスプリッタであって、第１のモード同期レーザの出力フィールドの１以上の追加的な部分を分離することによって、１以上の追加的な同期光フィールドを形成する手段を提供するビームスプリッタを具える。
【００２８】
好ましくは、繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムが、さらに、１以上のビームステアリング光学素子であって、１以上の追加的な同期光フィールドの方向を変えて、１以上の追加的なモード同期レーザ用の駆動信号を形成する手段を提供するビームステアリング光学素子を具える。
【００２９】
好ましくは、１以上の追加的な同期光フィールドは、１以上の追加的なモード同期レーザの出力カプラまたは端部ミラーを介して、１以上の追加的なモード同期レーザ内に向けられる。代替的には、１以上の追加的な同期光フィールドは、ブリュースタープレートや他の部分的に反射する光要素のような、１以上の追加的なモード同期レーザのキャビティ内の要素を介して、１以上の追加的なモード同期レーザ内へ向けられる。
【００３０】
１以上の追加的な同期光フィールドの偏光は、第１のモード同期レーザの出力フィールドの偏光と同じであることが最も好ましい。
【００３１】
選択的に、繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムが、さらに、１以上の追加的な同期光フィールドの偏光を変化させる手段を提供する１以上の追加的な波長板を具える。最も好ましくは、１以上の追加的な波長板が半波長板を有する。
【００３２】
代替的に、繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムが、さらに、１以上の追加的なビームスプリッタであって、ｎ番目のモード同期レーザの出力フィールドの第１の部分を分離することによって、ｎ番目の同期光フィールドを形成する手段を提供するビームスプリッタを具える。ｎは１より大きい整数である。
【００３３】
好ましくは、繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムが、さらに、１以上のビームステアリング光学素子であって、ｎ番目の同期光フィールドにｎ＋１番目のモード同期レーザ用の駆動信号を形成する手段を提供するビームステアリング光学素子を具える。
【００３４】
好ましくは、ｎ番目の同期光フィールドが、ｎ＋１番目の追加的なモード同期レーザの出力カプラまたは端部ミラーを介して、ｎ＋１番目のモード同期レーザ内へ向けられることが好ましい。代替的に、例えばブリュースタープレートや他の部分的に反射する光学要素のような、１以上の追加的なモード同期レーザのキャビティ内の要素を介して、ｎ番目の同期光フィールドがｎ＋１番目のモード同期レーザ内へと向けられる。
【００３５】
最も好ましくは、ｎ番目の同期光フィールドの偏光は、ｎ番目のモード同期レーザの出力フィールドの偏光と同じである。
【００３６】
選択的に、繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムが、さらに、ｎ番目の同期光フィールドの偏光を変化させる手段を提供する１以上の追加的な波長板を具える。最も好ましくは、１以上の追加的な波長板が半波長板を有する。
【００３７】
本発明の第２の態様における実施例は、本発明の第１の態様における好ましいまたは選択的な特徴を具えることができ、その逆も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
例示のみとして、本発明の様々な実施例を、図面を参照して説明する。
【００３９】
【図１】図１は、本発明の一実施例による、繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムの概略図を示す。
【図２】図２は、図１の繰り返し率が同期したモード同期レーザにおける相互相関トレースである。
【図３】図３は、図１の繰り返し率が同期したモード同期レーザにおける安定性のトレースを示す。
【図４】図４は、本発明の代替的な実施例による、代替的な繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムの概略図を示す。
【図５】図５は、本発明のさらなる代替的な実施例による、繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムの概略図を示す。
【００４０】
以下の説明において、同様の部品には、明細書および図面を通して同じ参照番号が付されている。図面は必ずしも一定の縮尺ではなく、本発明の実施例の詳細と特徴をより良く説明するために、特定の部分の比率が誇張されている。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
２つのモード同期レーザの繰り返し率を受動的に同期する方法と装置の詳細を、図１を参照して説明する。特に、図１は、本発明の一実施例による繰り返し率が同期したモード同期レーザシステムの概略図を示しており、このレーザシステムは全体として参照番号１で示されている。
【００４２】
繰り返し率が同期したモード同期レーザシステム１は、第１のモード同期チタン：サファイアレーザ２と、第２のモード同期チタン：サファイアレーザ３を具えることが分かる。本出願人が所有するＳｐｒｉｔｅ（登録商標）−ＸＴチタン：サファイアレーザが、このようなモード同期チタン：サファイアレーザに適している。チタン：サファイアの光吸収が４００ｎｍから６００ｎｍまでの広い波長範囲で起こることを考えると、モード同期チタン：サファイアレーザ２および３は、市販で手に入れることができる連続波「緑色」レーザによって光学的に励起することができ、これは、例えば５３２ｎｍのダイオード励起固体レーザ源（図示せず）である。
【００４３】
図１において、参照番号４および５で示された励起フィールドは、それぞれ、第１および第２のモード同期チタン：サファイアレーザ２および３内に向けられて、参照番号６および７で示された対応する出力フィールドが生成されることになる。励起フィールド４および５が６〜１２ワットの範囲のパワーを有する場合、モード同期チタン：サファイアレーザ２および３の出力フィールド６および７は、７２０ｎｍから９８０ｎｍの同調範囲にわたって、０．７ワット〜１．９ワットの範囲のパワーを示す。出力フィールド６と７のパルス幅は、１５０フェムト秒ほどであり、約７９ＭＨｚのパルス繰り返し率を示す。出力フィールド６と７は、また、水平な偏光を有するように、つまり図１のページの平面における偏光を有するように構成されている。
【００４４】
繰り返し率が同期したモード同期レーザシステム１は、出力フィールド６をビームスプリッタ９に方向を変えるために使用される第１のビームステアリングミラー８を具えている。ビームスプリッタは、第１の出力フィールド６から同期光フィールド１０を取り出して、次いでこれを第２のモード同期チタン：サファイアレーザ３に向けて方向を変えるのに使用される。ここに記載された実施例では、同期光フィールド１０から第２のモード同期チタン：サファイアレーザ３への方向の転換は、第２および第３のビームステアリングミラー１１および１２と、偏光ビームスプリッタキューブ１３と、第４のビームステアリングミラー１４とを使用することで達成される。同期光フィールド１０の偏光を回転させるために、偏光ビームスプリッタキューブ１３の前に、半波長板１５を同期光フィールド１０に挿入することが好ましく、これにより、同期光フィールド１０は、垂直の偏光成分を有して半波長板１５を出射され、すなわち図１のページの平面から外に出る偏光となる。同期光フィールド１０が偏光ビームスプリッタ１３に達すると、垂直の偏光成分が第２のモード同期チタン：サファイアレーザ３の方向へ反射され、一方で水平な偏光成分は、直進してビームダンプ（図示せず）に入る。この構成は、第２のモード同期チタン：サファイアレーザ３に達する同期光フィールド１０のパワーを調整する手段を提供する。
【００４５】
ここに説明されている実施例では、同期光フィールド１０が、第２のモード同期チタン：サファイアレーザ３内へとその出力カプラを介して向けられる。本技術分野の当業者に理解されているように、同期光フィールド１０の入射は、第２のモード同期チタン：サファイアレーザ３の他の代替的な光学素子によって行われてもよく、例えばこれは、ブリュースタープレートや、他の部分的反射体（例えば端部ミラーはＨＲではないがかなりの透過率を有している）である。
【００４６】
第２のモード同期チタン：サファイアレーザ３内に向けられる同期光フィールド１０は、５０ｍＷ程度の低いパワーを有するように構成することもできる。第２のモード同期チタン：サファイアレーザ３内におけるすべてのキャビティ内のブリュースターの表面を考慮に入れて、垂直偏光入射の効率を計算したときに、第２のモード同期チタン：サファイアレーザ３においてチタン：サファイア結晶内のキャビティ内ビームと相互作用する同期光フィールド１０の量は、入射パワーの１％程度である。ここに記載されたシステムにおいて、この値は１ｍＷ未満である。
【００４７】
水平な偏光を有する第２の出力フィールド７は、伝播する前に第４のビームステアリングミラー１４によって向きを変えられ、偏光ビームスプリッタキューブ１３を通ってもほぼ偏向しないことが、当業者は理解できるであろう。
【００４８】
出願人は、同期光フィールド１０を光駆動信号として第２のモード同期チタン：サファイアレーザ３に供給すると、２つのモード同期チタン：サファイアレーザ２および３の出力フィールド６および７における繰り返し率の受動的な同期が起こり、オペレータの側でそれ以上の入力を必要としないことを発見した。
【００４９】
例として、出力フィールド６がλ１＝９２０ｎｍの波長と約１１５ｆｓおよびΔλ１＝８ｎｍのパルス幅とを有し、出力フィールド７がλ２＝７２０ｎｍの波長と約１６０ｆｓおよびΔλ２＝３．５ｎｍのパルス幅を有する場合、図２と３に示す実験結果が記録された。特に、図２は、繰り返し率が同期したモード同期レーザ２および３の相互相関トレースである。この結果は、出力フィールド６と７の間の高いレベルの安定性とオーバーラップを強調している。
【００５０】
図３は、繰り返し率が同期したモード同期レーザ２および３における安定性のトレースを示す。ここでは、垂直のスケールは、スキャンされた勾配に基づいて調整されている。これらの曲線のＲＭＳ値が次いで計算されて、それぞれのジッタ値を表している。バックグラウンドジッタは人工的なものであるため、ゼロ以外の信号から減じなければならない。この方法に従うと、スロープに対して１．４４ｆｓ、バックグラウンドに対して１．１８ｆｓのＲＭＳジッタ値が得られるため、推定ＲＭＳジッタ値は０．２６ｆｓとなる。
【００５１】
モード同期レーザ２および３の繰り返し率の同期は、対応する２つのパルスの時間−帯域幅積がフーリエ限界に近い状態で、１ｆｓ未満のジッタ値を提供して高い再現性がある。
【００５２】
上記実施例は、直線の偏光を有する同期光フィールド１０の使用を参照して説明されているが、出力フィールド６および７の繰り返し率の同期は、同期光フィールド１０または出力フィールド６および７のいかなる特定の偏光にも限定されない。直線の偏光と半波長板１５の使用は、理解を簡単にするだけのために用いられている。他の実施例では、出力フィールド６および７は円形または楕円形の偏光を有することができ、半波長板１５は他の波長板（例えば４分の１波長板）に置き換えるか、または完全にシステム１から除去することもできる。同様に、出力フィールド６と７は、同じ偏光を共有する必要はない。
【００５３】
重要なことに、これらの結果は、いかなる電子機器、可動部品または追加的な外部からのフィードバック信号の生成を必要とせずに達成される。
【００５４】
上記の結果は、出力フィールド６および７の波長とは関係なく得られることが分かった。これは、この方法が既知のモード同期レーザと任意に組み合わせて使用できることを意味しており、例えば、チタンドープサファイア（チタン：サファイア）、クロムドープフォステライト（クロム：フォステライト）、クロムドープイッテリウムアルミニウムガーネット（Ｃｒ：ＹＡＧ３）、イッテリビウムドープフッ化カルシウム（Ｙｂ：ＣａＦ２）、ネオジムドープイットリウムオルトバナジウム酸塩（Ｎｄ：ＹＶＯ４）、イッテルビウムドープタングステン酸ガドリニウムカリウム（Ｙｂ：ＫＧＷ）、イッテルビウムドープタングステン酸カリウムイットリウム（Ｙｂ：ＫＷＹ）などに基づく、非線形の結晶レーザまたはファイバーレーザが含まれる。当業者は、上記の非線形結晶および／またはファイバー利得媒体は、例えば、イッテルビウム（Ｙｂ）、ネオジム（Ｎｄ）、エルビウム（Ｅｒ）、クロム（Ｃｒ）、ホルミウム（Ｈｏ）、チタン（Ｔｉ）およびツリウム（Ｔｍ）のような既知のドーパント元素と組み合わせて使用することができることを理解できるであろう。
【００５５】
以下に図４と５を参照して説明するように、上述の方法と装置の安定性は、高い拡張性を実現することができる。
【００５６】
図４に示す繰り返し率が同期したモード同期レーザシステム１６を使用することで、５つのモード同期チタン：サファイアレーザ２、３、１７、１８および１９がこれらの出力フィールド６、７、２０、２１および２２を同期させることができることが証明された。これは、第１のモード同期チタン：サファイアレーザ２の出力フィールド６内に配置された、４つの個別のビームスプリッタ９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄを使用することで達成される。その結果、第１の出力フィールド６から４つの同期光フィールド１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄが生成され、図１に示す上述の実施例と同様に、これらは第２、第３、第４および第５のモード同期チタン：サファイアレーザ３、１７、１８および１９へとそれぞれ向けられる。
【００５７】
この構成において、５つのモード同期チタンサファイアレーザ２、３、１７、１８および１９は、第１のモード同期チタンサファイアレーザ２と効果的に並行に配置されている。その結果、チタン：サファイアレーザ３、１７、１８および１９のいずれかが故障した場合でも、それに対応する出力フィールド７、２０、２１および２２のみが他と同期しなくなる。しかしながら、このシステム１６では、複数の同期光フィールド１０を生成するために、第１のモード同期チタン：サファイアレーザ２に大きな電力要件が課される。この電力要件は、同期させることができるモード同期チタンサファイアレーザの数を事実上限定する。
【００５８】
図５に示す繰り返し率が同期したモード同期レーザシステム２３を使用することにより、複数の同期光フィールド１０を生成するために第１のモード同期チタン：サファイアレーザ２に課される電力要件が除去される。５つのモード同期チタン：サファイアレーザ２、３、１７、１８および１９が、それぞれの出力フィールド６、７、２０、２１および２２を同期させることができることが再び証明されている。これもまた、４つの個別のビームスプリッタ９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄを使用することで達成されているが、図４の実施例とは異なり、第１のビームスプリッタ９ａのみが、第１のモード同期チタン：サファイアレーザ２の出力フィールド６内に配置されている。ここでも、第１のビームスプリッタ９ａが同期光フィールド１０ａを生成するために使用され、図１および４で説明したのと同様の方法で、これは第２のモード同期チタン：サファイアレーザ３へと向けられる。しかしながら、その他のビームスプリッタ９ｂ、９ｃ、９ｄは、それぞれ第２の、第３の、第４の出力フィールド７、２０、２１内に配置されている。その結果、第２の、第３の、第４の出力フィールド７、２０、２１から、さらなる３つの同期光フィールド１０ｂ、１０ｃ、１０ｄが生成される。同期光フィールド１０ｂ、１０ｃ、１０ｄは、図１および４の実施例で説明したのと同様の方法で、それぞれ第３の、第４の、第５のモード同期チタン：サファイアレーザ１７、１８、１９へと向けられる。
【００５９】
この構成では、５つのモード同期チタン：サファイアレーザ２、３、１７、１８および１９は各モード同期チタンサファイアレーザと効率的に直列に配置されて、直列の隣のモード同期チタン：サファイアレーザと同期するように配置される。この方法では、第１のモード同期チタンサファイアレーザに課される電力要件は除去されているため、事実上同期させることができるモード同期チタン：サファイアレーザの数に制限はない。しかしながら、５つのモード同期チタン：サファイアレーザ２、３、１７、１８および１９は直列に配置されているため、もし５つのモード同期チタン：サファイアレーザ２、３、１７、１８および１９のうちの一つが故障した場合、出力フィールド７、２０、２１、２２のうちの後続のすべての同期が失敗することになる。
【００６０】
モード同期レーザ用の上述の方法と装置は、当分野の既知のシステムに比べて、多くの顕著な利点を提供する。第１の例として、２以上のモード同期レーザの受動的な同期が、１ｆｓ未満のタイミングジッタで達成することができる。さらに、説明した方法は、第１のモード同期レーザと直列または並列にともに連結することができる複数のモード同期レーザで拡張可能である。直列に連結した場合は、事実上、同期させることができるモード同期レーザの数に制限がなくなる。
【００６１】
説明した方法と装置は、動作しているモード同期レーザの波長とは無関係である。このことは、当該方法が、モード同期レーザのタイプの特定の組合せによる使用に限定されないことを意味している。
【００６２】
説明した方法と装置は受動的なものであるため、いかなる電子機器の使用も必要としない。受動的な技術は、また、追加的な非線形の光学結晶を使用した電気的または光学的なフィードバック信号の生成を必要としない。その結果、上述の方法と装置は、既知のものに比べて顕著に複雑ではなく、追加的な非線形の光学プロセスによって電力が制限されない。
【００６３】
２以上のモード同期レーザの繰り返し率を受動的に同期させる方法と装置について説明してきた。この方法と装置は、第１のモード同期レーザの出力フィールドの第１の部分を分離することによって、第１の同期光フィールドを形成するステップと、次いでこの第１の同期光フィールドの方向を変えて、第２のモード同期レーザ用の駆動信号を形成するステップとを含む。この技術を採用することで、１ｆｓ未満のタイミングジッタを有するシステムが得られる。この方法はまた、モード同期レーザが動作している波長と偏光に無関係であり、したがって、特定のタイプのモード同期レーザの使用に限定されない。この方法と装置は受動的であるため、いかなる電子機器、可変時間遅延経路、または追加的な非線形光学結晶の使用も必要としない。その結果、この方法と装置は、既知のものに比べて顕著に複雑ではなく、追加的な非線形の光学プロセスによって電力が制限されない。
【００６４】
明細書を通して、文脈が他方を指示していなければ、「具える」または「含む」という用語、または「具えた」、「具えて」、「含んだ」、「含んで」などのこの変形は、記載された整数または整数のグループを包含するものであるが、他の整数や整数のグループを除外するものではないと理解すべきである。
【００６５】
さらに、本記載における先行技術への言及は、その先行技術が共通の一般知識の一部を形成するものとして解釈すべきではない。
【００６６】
前述の本発明の記載は、例示と説明のために示されたものであり、すべてを包括するものでも、本発明を開示された正確な形態に限定するものでもない。説明した実施例は、本発明の原理とその実際の適用例を最も良く説明するために選択して記載したものであり、これにより、当業者は、考えられる特定の使用に適した様々な実施例と様々な変形例を、最も良く使用することが可能となる。したがって、添付した特許請求の範囲に規定されているように、さらなる変形例や改良例を、本発明の範囲から逸脱することなく組み込むことができる。
【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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【国際調査報告】
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