JP2010003865A - モード同期固体レーザ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】固体レーザ媒質15と可飽和吸収ミラー16とをレーリ長の2倍以下の距離で近接配置する。その上で、可飽和吸収ミラー16の吸収変調深さΔRを0.4%以上とし、パルス幅に対して所定の関係式で表される、共振器内を所定の波長の光が一往復した場合の共振器内全分散量の絶対値|D|(ただしD<0)を、可飽和吸収ミラー16により基本周期のソリトンパルス以外の動作様式が抑制可能なパルス帯域内に設定し、出力ミラーとして、所定の波長の光18に対して、ミラー分散量が−3000fs2〜−600fs2であり、かつ、反射率が97%〜99.5%である負分散ミラー5を用いる。
【選択図】図1
Description
である。各ビーム断面積を小さくし、(2)式を満たすようなパルスエネルギーEPが発振器で実現できれば、Qスイッチ不安定性の無い、いわゆるCWモード同期が実現できることが知られている。なお、(2)式において、左辺=右辺としたときのEPの解がモード同期閾値であり、(2)式を満たすとは、EPをそのモード同期閾値よりも大きくなるように設定することをいう。
前記固体レーザ媒質と前記可飽和吸収ミラーとが、両者間の距離がレーリ長の2倍以下となるように配置されており、
前記可飽和吸収ミラーの吸収変調深さΔRが0.4%以上であり、
下記関係式で表される、前記共振器内を所定の波長の光が一往復した場合の共振器内全分散量の絶対値|D|(ただしD<0)が、前記可飽和吸収ミラーにより基本周期のソリトンパルス以外の動作様式が抑制可能なパルス帯域内に設定されており、
前記出力ミラーが、基板上に誘電体多層膜構造を有してなる負分散ミラーであって、前記多層膜構造が、それぞれ複数の層が積層されてなる3つ以上のミラー機能層部、および各ミラー機能層部間に挟まれて配されて該挟まれたミラー機能層部間で所定の波長の光の共振を生じさせるキャビティ層から構成され、前記キャビティ層が、前記多層膜構造中の全体に亘って互いに所定の間隔で前記ミラー機能層部を介在させて配置されており、前記所定の波長の光に対して、ミラー分散量が−3000fsec2〜−600fsec2であり、かつ、反射率が97%〜99.5%であることを特徴とするものである。なお、以下においてはfsecを単にfsと示すことがある。
さらに、前記所定の波長は、所望の値に設定可能であるが、特に、1000nm〜1100nmの範囲にあることが好ましい。
前記所定の波長をλとしたとき、前記ミラー機能層を構成する各層の光学膜厚が、λ/8以上かつλ/2未満の厚さであることが好ましい。
前記キャビティ層を、前記高い屈折率を有する層、あるいは前記低い屈折率を有する層と同一の材料で構成することが好ましい。
前記高い屈折率を有する層は、例えば、Ti、Zr、Hf、Nb、Al、Zn、Y、Sc、La、Ce、PrまたはTaの酸化物、およびZnの硫化物から選ばれる1つ、または、これらの1つもしくは複数を含む混合物または化合物からなるものとすることができる。ここで、1つもしくは複数を含む混合物または化合物とは、先に列挙している酸化物、硫化物以外のものを含んでもよいが、ここに挙げた酸化物、硫化物の1つもしくは複数を主要成分として(全体の50重量%以上)含むものとする。
また、前記低い屈折率を有する層は、Siの酸化物、およびCa、Li、Mg、Na、Th、Al、Hf、La、YまたはZrのフッ化物から選ばれる1つ、または、これらの1つもしくは複数を含む混合物または化合物からなるものとすることができる。ここで、1つもしくは複数を含む混合物または化合物とは、先に列挙している酸化物、フッ化物以外のものを含んでもよいが、ここに挙げた酸化物、フッ化物の1つもしくは複数を主要成分として(全体の50重量%以上)含むものとする。
ΔG(CW)≦ΔR/2かつ、ΔG(DP)≦ΔR/S・・・・(A)
を満たす吸収変調深さΔRおよび飽和度Sを有するものとし、共振器内を所定の波長の光が一往復した場合の共振器内全分散量の絶対値|D|(ただしD<0)が、(A)式かつ、基本ソリトンパルスに対するシフトパルスの利得優位度G(SP)≒0を満たすパルス帯域の範囲に対応する値となるように装置を構成することにより、ソリトンパルスを安定して生じさせることができることを見出した。
一般的なモード同期固体レーザ装置においては、SESAM飽和度S=3〜5程度で設計されており、本発明の具体的な構成においてもこの範囲の値を想定しており、特に以下では、S=4を採用している。
この場合、図4を参照すると、104fsecパルス(パルス帯域11nmに相当)を生成するには、950fsec2の負の分散量が必要である。安定範囲の下限4nm(シフトパルスによる制限)では、2500fsec2程度の負の分散量とすればよい。なお、共振器内全分散量DはパルスエネルギーEPの関数でもあるので、パルスエネルギーが大きいと、より大きな分散量が必要になることから、本発明で想定している装置としては、これが共振器内全分散量の絶対値上限である。絶対値下限については、パルスエネルギーが小さくなればそれだけ共振器内全分散量も小さくする必要があり、図4から分かるように共振器内全分散量が略零の場合があり得ることから、絶対値下限は0超とした。
図6は、本発明の第1の実施形態の負分散ミラー5の構成を示す模式図である。
図13A〜図22Aは、設計例1〜10についてそれぞれ所定の中心波長λに対する各層の光学膜厚を示すものであり、図13B〜図22Bはそれぞれ図13A〜図22Aに示した設計例1〜10の層構成で達成される反射率およびミラー負分散量を示すグラフである。設計例1〜10は中心波長λ=1045nmとして(固体レーザ媒質としてYb:KYW(K(WO4)2)を想定)設計したものであり、いずれもシミュレーションにより得たものである。
3 ガラス基板
4、7 多層膜構造
6 凹面ガラス基板
C1,C2,・・・,Cm キャビティ層
ML1,ML2,・・・,MLm+1 ミラー機能層部
8 反射防止膜
10 励起光
11 半導体レーザ
12 励起光学系
13 ダイクロイックミラー
15 固体レーザ媒質
16 SESAM(半導体可飽和吸収ミラー)
18 固体レーザ発振光
18a 出力光
19 凹面ミラー
60 非線形光学結晶
61 第2高調波
Claims (16)
- 一端を出力ミラーにより構成されてなる共振器と、前記共振器内に配置された固体レーザ媒質と、可飽和吸収ミラーとを備えたモード同期固体レーザ装置において、
前記固体レーザ媒質と前記可飽和吸収ミラーとが、両者間の距離がレーリ長の2倍以下なるように配置されており、
前記可飽和吸収ミラーの吸収変調深さΔRが0.4%以上であり、
下記関係式で表される、前記共振器内を所定の波長の光が一往復した場合の共振器内全分散量の絶対値|D|(ただしD<0)が、前記可飽和吸収ミラーにより基本周期のソリトンパルス以外の動作様式が抑制可能なパルス帯域内に設定されており、
前記出力ミラーが、基板上に誘電体多層膜構造を有してなる負分散ミラーであって、前記多層膜構造が、それぞれ複数の層が積層されてなる3つ以上のミラー機能層部、および各ミラー機能層部間に挟まれて配されて該挟まれたミラー機能層部間で所定の波長の光の共振を生じさせるキャビティ層から構成され、前記キャビティ層が、前記多層膜構造中の全体に亘って互いに所定の間隔で前記ミラー機能層部を介在させて配置されており、前記所定の波長の光に対して、ミラー分散量が−3000fsec2〜−600fsec2であり、かつ、反射率が97%〜99.5%であることを特徴とするモード同期固体レーザ装置。
- 前記固体レーザ媒質を励起する励起光が、共振器光軸に対して斜め方向から入射し、
該光軸上またはその延長上に配置された、固体レーザ発振光を透過させるダイクロイックミラーで反射してこの光軸方向に進むように構成されていることを特徴とする請求項1記載のモード同期固体レーザ装置。 - 前記固体レーザ媒質が、希土類が添加されたものであることを特徴とする請求項1または2記載のモード同期固体レーザ装置。
- 前記希土類が、イッテルビウム(Yb)、エルビウム(Er)、あるいはネオジム(Nd)であることを特徴とする請求項3記載のモード同期固体レーザ装置。
- 前記固体レーザ媒質が、Yb:YAG(Y3Al5O12)、Yb:KYW(K(WO4)2)、Yb:KGW(KGd(WO4)2)、Yb:Y2O3、Yb:Sc2O3、Yb:Lu2O3、Er,Yb:ガラス、Nd:ガラスのいずれかであることを特徴とする請求項3記載のモード同期固体レーザ装置。
- 前記共振器が直線型であることを特徴とする請求項1から5いずれか1項記載のモード同期固体レーザ装置。
- 共振器モードウエスト直径が100μm以下であることを特徴とする請求項1から6いずれか1項記載のモード同期固体レーザ装置。
- 前記負分散ミラーの前記基板が凹面を有するものであり、前記多層膜構造が該凹面に設けられていることを特徴とする請求項1から7いずれか1項記載のモード同期固体レーザ装置。
- 前記負分散ミラーの前記分散量および前記反射率が、前記所定の波長を含む10nm以上の帯域幅を有するものであることを特徴とする請求項1から8いずれか1項記載のモード同期固体レーザ装置。
- 前記所定の波長が、1000nm〜1100nmの範囲にあることを特徴とする請求項1から9いずれか1項記載のモード同期固体レーザ装置。
- 前記負分散ミラーにおいて、前記所定の波長をλとしたとき、前記キャビティ層の光学膜厚が、λ/2以上の厚さであることを特徴とする請求項1から10いずれか1項記載のモード同期固体レーザ装置。
- 前記負分散ミラーにおいて、前記所定の波長をλとしたとき、前記ミラー機能層を構成する各層の光学膜厚が、λ/8以上かつλ/2未満の厚さであることを特徴とする請求項1から11いずれか1項記載のモード同期固体レーザ装置。
- 前記負分散ミラーにおいて、前記ミラー機能層が、相対的に高い屈折率を有する層と、相対的に低い屈折率を有する層とが交互に5層以上積層されてなるものであることを特徴とする請求項1から12いずれか1項記載のモード同期固体レーザ装置。
- 前記負分散ミラーにおいて、前記キャビティ層が、前記高い屈折率を有する層、あるいは前記低い屈折率を有する層と同一の材料で構成されていることを特徴とする請求項13記載のモード同期固定レーザ装置。
- 前記負分散ミラーにおいて、前記高い屈折率を有する層が、Ti、Zr、Hf、Nb、Al、Zn、Y、Sc、La、Ce、PrまたはTaの酸化物、およびZnの硫化物から選ばれる1つ、または、これらの1つもしくは複数を含む混合物または化合物からなるものであることを特徴とする請求項13または14記載のモード同期固定レーザ装置。
- 前記負分散ミラーにおいて、前記低い屈折率を有する層が、Siの酸化物、およびCa、Li、Mg、Na、Th、Al、Hf、La、YまたはZrのフッ化物から選ばれる1つ、または、これらの1つもしくは複数を含む混合物または化合物からなるものであることを特徴とする請求項13から15いずれか1項記載のモード同期固定レーザ装置。
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L. KRAINER, ET. AL.: "77 GHz soliton modelocked Nd:YV04 laser", ELECTRONICS LETTFRS, vol. 36, no. 22, JPN6012041784, 26 October 2000 (2000-10-26), pages 1846 - 1848, XP006015843, ISSN: 0002713136, DOI: 10.1049/el:20001289 * |
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