MOLECULAR SCIENCE

Mol. Sci. 1, NP002 (2007)

New Product

極低温冷却による繰り返し数可変(kHz)
超短パルス・高出力 フェムト秒 Ti:sapphire レーザー
Ultrashort High-power Multikilohertz Femtosecond Ti:Sapphire Laser by Cryogenic Cooling System

泉 啓介 a，斉藤 敬 aKeisuke Izumi and Takashi Saito

1. はじめにることが可能になります 1。

超高速マイクロマシニング，コヒーレント X 線発生，熱レンズを補償する方法は他にもありますが，増幅結晶時間分解ホログラフィ，アト秒パルスの発生などのアプリを極低温冷却する方法に比べると限られた範囲でしか成ケーションから，超短パルス Ti:sapphire レーザーシステム功していません。例えば，熱レンズを光学的に補償する方に対する高繰り返しかつ高パルスエネルギーへの要求が法がありますが，これは励起レーザーの平均出力の変化にますます増大しております。本稿では，これらの要求に対非常に敏感です。よって，極低温冷却をしないシステムでする米国 KMLabs 社の技術的対応についてご紹介します。

は励起光出力を変える度に大幅な再調整が必要になってしまいます。更に，光学的な補償では一般に高次の収差を2. Ti:Sapphire 増幅器の高出力化排除することができず，空間ビーム品質が低下します。こ2.1 極低温冷却の利点

れらの収差は空間フィルタリングによって減らすことは

過去 5 年間，多くの高平均出力第二高調波 Nd:YAG やできますが，システム効率が低下してしまいます。

Nd:YLF レ ー ザ ー が 市 場 に 投 入 さ れ ， 高 平 均 出 力

Ti:sapphire 増 幅 結 晶 の 極 低 温 冷 却 は 励 起 光 出 力 か ら

Ti:Sapphire レーザー増幅器の理想的励起光源として利用

Ti:sapphire レーザー発振への変換効率をほぼ 2 倍にするこ可能されてきました。しかし，励起光の約 1/3 は Ti:sapphireとができます。

増幅結晶内で熱に変換されてしまう為，結晶内の熱の取扱

KMLabs 社(米国)はこのような極低温結晶冷却器を 1 段いが大変重要になります。この熱が直径 1mm のビームス増幅システムの Ti:sapphire 増幅器"Dragon"シリーズに組ポットに集中し大きい温度勾配が生じると，結晶内に強いみ込んでいます（図 2）2。

熱レンズ効果が発生します。

2.2 1 段増幅システムの高出力化

一方，図 1 にあるように，Ti:sapphire 増幅結晶を極低温

さ ら に ， KMLabs 社 は 最 新 の 1 段 増 幅 シ ス テ ム のに冷却すれば，電子冷却に比べ 1～2 桁大きな出力でTi:sapphire 増幅器として"Dragon-HE"を発表しました。繰

Ti:sapphire 増幅器を励起できます。この励起光出力の増大

り返し周波数が 1 kHz でパルスエネルギー5 mJ，パルス幅によって，パルスエネルギーや繰り返し周波数を増大させはサブ 40 fs です。
"Dragon-HE"はポンプレーザーを 1 台のみ使用しています。結晶を極低温冷却しているため，繰り返し周波数 1～3kHz にわたって動作可能で，光学系の再調整無くリアルタイムで繰り返し周波数の変更が可能です。
他の同様な仕様の 2 段増幅の商用システムに比べ，よりコンパクト，よりユーザーフレンドリーで，なおかつ初期コスト及び長期メンテナンスの両面で低コストです。

Figure 1. Thermal lens as a function of pump power focused to a
1mm spot, for a Ti:sapphire crystal kept at 77, 253, and 293 K.
Thermal lensing aberrations are more than 2 orders of magnitude
smaller at cryogenic temperatures.
a

株式会社東京インスツルメンツ
連絡先 〒134-0083 東京都江戸川区西葛西 6-18-14
電子メール sales@tokyoinst.co.jp

Figure 2. KMLabs’ cryogenically cooled Ti:sapphire laser amplifier.
The Dragon employs a hands-off, He-gas-based, closed-loop cryogenic
cooler, within a sealed, ion-pump-based ultra-high vacuum chamber.

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New ProductFigure 4. RedDragon output spectrum at 3 kHz, 15 W, andFWHM ~60 nm.

現在は，到達可能な位相安定化パルスエネルギーをさらに増大し，1 mJ@20 kHz，3 mJ@10 kHz の位相安定化増幅
Figure 3. KMLabs RedDragon laser system that produces 25 W, 25 fs at5 kHz. This system includes Carrier Envelope Phase stabilization.

器システムが製造可能です。

2.3 2 段増幅システムの高出力化

4. 光パラメトリック増幅器(OPA)

2 段増幅システム"RedDragon"も開発しました。初段，2Ti:sapphire 増幅器"Dragon"シリーズはまた，光パラメト段の増幅結晶とも極低温冷却されており，リアルタイムでリック増幅器(OPA)の良好なシード光としてもデモンスト繰り返し周波数の調整が可能です。

レーションされています。"Dragon"から 3.0 mJ@1 kHz の大出力の励起レーザーの選択により，パルス幅 25 fs，パパルスでシードされた Light Conversion 社 Topas-C は 43%

ルスエネルギー18 mJ@1 kHz あるいは 4 mJ@10 kHz の出力（1.3 mJ シグナル＋アイドラ－）もの高効率の発振を達成が，同じ装置にて可能です。さらに高繰り返し周波数とししています。て，3 mJ@10 kHz，0.5 mJ@20 kHz の出力も選択できます。
また，最高繰り返し周波数が必要な場合，この"RedDragon"を繰り返し数 20 kHz に最適化して 1.5 mJ@10 kHz，1mJ@20 kHz の出力が可能です。

おわりに5.

本稿では, KMLabs 社の Ti:sapphire 増幅器について紹介させて頂きました。これらの製品が，より多くの研究者に使用していただき，少しでもより最先端の科学の発展に貢

3.

増幅システムの CEP 安定化献できましたら幸いです。

KMLabs 社 は ， 繰 り 返 し 周 波 数 安 定 化 やCarrier-Envelope-Phase(CEP)安定化も提供しています。最近,

引用文献

商用で最高のパルスエネルギーを持つ位相安定化フェム(1)Backus, S. J.; Kapteyn, H. C.; Murnane, M. M. U. S. Patent 6(2)Backus, S.; Bartels, R.; Thompson, S.; Dollinger, R.; Kapteyn, H.

804287, 2004.

ト秒レーザー増幅器を開発しました。
発振器と増幅器の CEP 安定化に Menlo Systems 社のフェムト秒位相安定化ユニットを使用し，エネルギー2 mJ，繰り返し 1 kHz，パルス幅 30 fs 以下の位相安定化パルスのC.; Murnane, M. M. Opt. Lett. 2001, 26, 465-467.
（受理日2007 年 4 月 28 日）

デモンストレーションを行いました。

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