JP4142179B2

JP4142179B2 - 多層膜ミラー

Info

Publication number: JP4142179B2
Application number: JP30869198A
Authority: JP
Inventors: 正臣高坂; 寧大林
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1998-10-29
Filing date: 1998-10-29
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2018-10-29
Also published as: JP2000138407A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光のパルス圧縮等に用いることが可能な多層膜ミラーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
フェムト秒（ｆｓ）オーダのパルス幅を有する超短パルス光は、種々の計測技術や加工技術への応用が期待されている。また、超短パルス光の帯域が広ければ、その応用範囲も広くなる。
【０００３】
広帯域の光は光非線形媒質に高強度の光を入射させることによって生成することができる。すなわち、光非線形媒質の屈折率は光強度によって変化する。光非線形媒質に高強度の光が入射すると、自己位相変調（ＳＰＭ）、すなわち媒質の屈折率変化に伴う光の位相速度変化が生じ、非線形媒質からの出射光は複数の波長成分を有する白色光となる。このようにして得られた白色光を増幅させる手段として光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）がある。ＯＰＡにおいて信号光と励起光を非線形光学結晶中で非平行に位相整合させる非平行光パラメトリック増幅では、例えばチタンサファイアレーザーの２倍波を励起光とすれば、可視域に４０００ｃｍ^-1から最大６０００ｃｍ^-1もの広帯域な超短パルス光を発生させることができる。
【０００４】
このような白色光の超短パルス光は、個々の波長成分を有する単一波長パルス光の重ね合わせと捉えることができる。この白色光の超短パルス光は、群速度分散（ＧＶＤ）、すなわち波長成分毎の群速度の相違のために、非線形光学結晶や空気などの分散媒質により周波数チャープを受け、光が進行するに従ってパルス幅が広がってしまう。広がったパルス幅を圧縮するためには、低速の波長成分を進ませ、高速の波長成分を遅らせればよい。これにより、個々の波長成分を有するパルスが同一時間内に重複する比率が高くなり、結果的にパルス幅が狭くなる。
【０００５】
上述の群速度分散補償、換言すれば周波数チャープ補償を行う光学系は種々考えられているが、その中で誘電体多層膜ミラーを用いたものは損失や寸法の観点から見れば他のものよりも優れている。このような誘電体多層膜ミラーは、特許第２７５４２１４号及び米国特許５７３４５０３号に記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許第２７５４２１４号に記載のミラーは反射帯域に比して周波数チャープ補償に用いられる帯域が狭く、米国特許５７３４５０３号に記載のミラーは波長７２０ｎｍ〜８９０ｎｍの周波数チャープ補償を行うことができるが、その周波数帯域は２７００ｃｍ^-1程度と狭い。すなわち、いずれのミラーもその性能は未だ十分ではなく、これらのミラーでは、ＯＰＡの４０００ｃｍ^-1を超える周波数帯域を有する光パルスを高反射効率で数〜数十ｆｓオーダのパルス幅に圧縮することは困難である。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、可視域、特に５００ｎｍ〜７７０ｎｍの波長帯域を有する光パルスの幅を数〜数十ｆｓオーダに圧縮可能な多層膜ミラーを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る多層膜ミラーは、屈折率の異なる複数の誘電体膜を基板上に積層してなる多層膜ミラーにおいて、可視光帯域における反射率が９５％以上であって、その露出面を構成する最外膜の屈折率がこの最外膜直下の膜の屈折率よりも低く、最外膜直下の膜の光学膜厚は、最外膜の光学膜厚よりも薄く、且つ、前記帯域内の長波長成分の群遅延が短波長成分の群遅延よりも大きくなるように、前記誘電体膜各膜の光学膜厚が前記最外膜側からの前記誘電体膜の層数に対して二次関数で増加する曲線に沿って前記最外膜側から前記基板側へ向かう方向に増加し、且つ、波長に対する群遅延が、少なくとも波長５００ｎｍ〜７５０ｎｍにおいて、傾き０．０５〜０．１５（ｆｓ／ｎｍ）で単調に増加する、又は、波長５００ｎｍ〜７７０ｎｍにおいて、傾き０．１５〜０．１９（ｆｓ／ｎｍ）で単調に増加するように設定されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の多層膜ミラーによれば、最外膜が低屈折率であるため、高強度のレーザ光がこれに照射された場合においても、照射による最外膜の電界集中を減少させて、その破壊を抑制することができる。この場合、前記帯域内の長波長成分の群遅延が短波長成分の群遅延よりも大きくなるように設定するためには、少なくとも最外膜直下の膜の屈折率がこれよりも高く、且つ、光学膜厚がこれよりも薄いことが好ましい。そして、光学膜厚が上記の如く設定されているため、多層膜ミラーは、反射光波長帯域５００ｎｍ〜７７０ｎｍ、換言すれば、最大で７０００ｃｍ^-1超の反射光周波数帯域を有することができる。この帯域は、従来の多層膜ミラーのものよりも著しく広いため、広帯域光のチャープ補償を行うことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に係る多層膜ミラー及び広帯域レーザについて説明する。同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は省略する。
【００１１】
図１は、第１実施形態に係る多層膜ミラーの断面構成図である。この多層膜ミラーは、ガラス基板ＳＢと基板ＳＢ上に形成された多層膜ＭＬとからなる。多層膜ＭＬは、屈折率の異なる２種類の誘電体膜を交互に積層してなる。本実施の形態においては、多層膜ＭＬの層数Ｎ＝４０である。基板ＳＢ側から奇数番目の誘電体膜１，３，５，７・・・３９は高屈折率膜（Ｈ）であり、偶数番目の誘電体膜２，４，６，８・・・４０は、低屈折率膜（Ｌ）である。高屈折率膜（Ｈ）は、ＴｉＯ₂であり、低屈折率膜（Ｌ）はＳｉＯ₂である。上記ガラス基板ＳＢ、ＴｉＯ₂、及びＳｉＯ₂の屈折率ｎ₀、ｎ₁、ｎ₂は、それぞれ、１．５２、２．３５、１．４６である。最外膜４０は空気に露出しており、その露出表面は屈折率ｎ_AIR＝１．０の空気と最外膜４０との間の界面を構成する。
【００１２】
図２は、第１実施形態に係る各膜の光学膜厚（ｎｍ）及びその好適範囲（ｎｍ）を示す表である。なお、同表は下から順に１層目、２層目・・・Ｎ層目の膜を示す。また、光学膜厚とは、各膜の屈折率ｎと厚みｄの積（ｎ×ｄ）である。
【００１３】
図３は、図２に示した多層膜各膜の番号１，２・・・４０と光学膜厚（ｎｍ）との関係を示すグラフである。なお、グラフ中の実線は膜厚近似曲線を示し、空気側から基板側へ向かう方向を正方向とすると、この曲線は概ね二次関数を示す。
【００１４】
図４は、図２に示した多層膜ミラーによる反射光波長（ｎｍ）と群遅延（ｆｓ）との関係を示すグラフである。本ミラーにおいては、波長５００ｎｍ〜７５０ｎｍにおいて、傾き０．０５〜０．１５（ｆｓ／ｎｍ）で群遅延が単調に増加している。また、波長５００ｎｍにおける群遅延は０〜５ｆｓの範囲にあり、波長６００ｎｍにおける群遅延は１０〜１５ｆｓの範囲にあり、波長７００ｎｍにおける群遅延は２３〜２８ｆｓの範囲にある。
【００１５】
本多層膜ミラーにおいては、入射した光の長波長成分の群速度を短波長成分の群速度に対して相対的に遅らせるので、分散媒質によってパルス幅が広がったレーザ光のパルス幅を圧縮することができる。
【００１６】
図５は、第２実施形態に係る各膜の光学膜厚（ｎｍ）及びその好適範囲（ｎｍ）を示す表である。なお、同表は下から順に１層目、２層目・・・Ｎ層目の膜を示し、層数Ｎ＝５４である。
【００１７】
図６は、図５に示した多層膜ミラーによる反射光波長（ｎｍ）と群遅延（ｆｓ）との関係を示すグラフである。本ミラーにおいては、波長５００ｎｍ〜８００ｎｍにおいて、傾き０．０５〜０．１５（ｆｓ／ｎｍ）で群遅延が単調に増加している。また、波長５００ｎｍにおける群遅延は０〜５ｆｓの範囲にあり、波長６００ｎｍにおける群遅延は５〜１０ｆｓの範囲にあり、波長７００ｎｍにおける群遅延は２０〜２５ｆｓの範囲にある。
【００１８】
本多層膜ミラーにおいても、入射した光の長波長成分の群速度を短波長成分の群速度に対して相対的に遅らせるので、分散媒質によってパルス幅が広がったレーザ光のパルス幅を圧縮することができる。
【００１９】
図７は、第３実施形態に係る各膜の光学膜厚（ｎｍ）及びその好適範囲（ｎｍ）を示す表である。なお、同表は下から順に１層目、２層目・・・Ｎ層目の膜を示し、層数Ｎ＝５６である。
【００２０】
図８は、図７に示した多層膜ミラーによる反射光波長（ｎｍ）と群遅延（ｆｓ）との関係を示すグラフである。本ミラーにおいては、波長５００ｎｍ〜８００ｎｍにおいて、傾き０．０５〜０．１５（ｆｓ／ｎｍ）で群遅延が単調に増加している。また、波長５００ｎｍにおける群遅延は０〜５ｆｓの範囲にあり、波長６００ｎｍにおける群遅延は１３〜１８ｆｓの範囲にあり、波長７００ｎｍにおける群遅延は２０〜２５ｆｓの範囲にある。
【００２１】
本多層膜ミラーにおいても、入射した光の長波長成分の群速度を短波長成分の群速度に対して相対的に遅らせるので、分散媒質によってパルス幅が広がったレーザ光のパルス幅を圧縮することができる。
【００２２】
図９は、第４実施形態に係る各膜の光学膜厚（ｎｍ）及びその好適範囲（ｎｍ）を示す表である。なお、同表は下から順に１層目、２層目・・・Ｎ層目の膜を示し、層数Ｎ＝４０である。
【００２３】
図１０は、図９に示した多層膜ミラーによる反射光波長（ｎｍ）と群遅延（ｆｓ）との関係を示すグラフである。本ミラーにおいては、波長５００ｎｍ〜７７０ｎｍにおいて、傾き０．１５〜０．１９（ｆｓ／ｎｍ）で群遅延が単調に増加している。また、波長５００ｎｍにおける群遅延は０〜５ｆｓの範囲にあり、波長６００ｎｍにおける群遅延は５〜１０ｆｓの範囲にあり、波長７００ｎｍにおける群遅延は２３〜２７ｆｓの範囲にある。
【００２４】
本多層膜ミラーにおいても、入射した光の長波長成分の群速度を短波長成分の群速度に対して相対的に遅らせるので、分散媒質によってパルス幅が広がったレーザ光のパルス幅を圧縮することができる。
【００２５】
図１１は、第５実施形態に係る各膜の光学膜厚（ｎｍ）及びその好適範囲（ｎｍ）を示す表である。なお、同表は下から順に１層目、２層目・・・Ｎ層目の膜を示し、層数Ｎ＝４０である。
【００２６】
図１２は、図１１に示した多層膜ミラーによる反射光波長（ｎｍ）と群遅延（ｆｓ）との関係を示すグラフである。本ミラーにおいては、波長５００ｎｍ〜７７０ｎｍにおいて、傾き０．１５〜０．１９（ｆｓ／ｎｍ）で群遅延が単調に増加している。また、波長５００ｎｍにおける群遅延は０〜５ｆｓの範囲にあり、波長６００ｎｍにおける群遅延は５〜１０ｆｓの範囲にあり、波長７００ｎｍにおける群遅延は２３〜２７ｆｓの範囲にある。
【００２７】
本多層膜ミラーにおいても、入射した光の長波長成分の群速度を短波長成分の群速度に対して相対的に遅らせるので、分散媒質によってパルス幅が広がったレーザ光のパルス幅を圧縮することができる。
【００２８】
上記第１〜第５実施形態に係る多層膜ミラーは、屈折率の異なる複数の誘電体膜をガラス基板ＳＢ上に積層してなる多層膜ミラーにおいて、可視光帯域、特に波長５００ｎｍ〜７５０ｎｍの帯域における反射率が９５％以上であって、その露出面を構成する最外膜の屈折率がこの最外膜直下の膜の屈折率よりも低く、且つ、この帯域内の長波長成分の群遅延が短波長成分の群遅延よりも大きくなるように、最外膜を含む誘電体膜各膜の光学膜厚が設定されている。
【００２９】
これらの多層膜ミラーによれば、最外膜が低屈折率であるため、高強度のレーザ光がこれに照射された場合においても、照射による最外膜の電界集中を減少させて、その破壊を抑制することができる。この場合、前記帯域内の長波長成分の群遅延が短波長成分の群遅延よりも大きくなるように設定するためには、少なくとも最外膜直下の膜の屈折率がこれよりも高く、且つ、光学膜厚がこれよりも薄いことが好ましい。そして、光学膜厚が上記の如く設定されているため、多層膜ミラーは、反射光波長帯域５００ｎｍ〜７７０ｎｍ、換言すれば、最大で７０００ｃｍ^-1超の反射光周波数帯域を有することができる。この帯域は、従来の多層膜ミラーのものよりも著しく広いため、広帯域反射光のチャープ補償を行うことができる。
【００３０】
なお、図１４は、上記光学膜厚を設定するために用いるための式（１）〜（９）を示す表である。設定の手順は以下の通りである。
【００３１】
式（８）に示される反射率Ｒが、波長帯域５００ｎｍ〜７７０ｎｍ内のそれぞれの光に対して９５％以上となるように設定される。
【００３２】
式（９）に示されるΦは、その１階周波数微分が群遅延（ＧＤ）を、２階周波数微分が群遅延分散（ＧＤＤ）を示す変数、換言すれば複素振幅反射率Ｒの偏角であり、上記波長帯域５００ｎｍ〜７５０ｎｍにおいて、この群遅延ＧＤは波長に対して単調増加するように設定される。なお、Ｒ及びΦ（ＧＤ）は波長依存性を有するので、帯域内のそれぞれの波長毎に演算を行う。
【００３３】
Ｒ及びΦは、ｋ層目の複素振幅反射率γ_{k+1 k}が求められれば算出できる。第１層目の複素振幅反射率γ₂₁、第２層目の複素振幅反射率γ₃₂は、それぞれ式（４）及び（５）から算出される。なお、第ｋ層目の複素振幅反射率γ_{k+1 k}は、式（６）から算出される。なお、これらの式におけるフレネル係数ｒは、ｊ番目の膜の屈折率をｎ_jとすると、屈折率の式（２）から算出され、式中のδはｊ番目の光の入射角をθ_j、ｊ番目の膜の膜の厚みをｄ_j、入射光波長をλとすると、式（１）で与えられる。なお、複素振幅反射率γ₁₀は式（３）で与えられ、θ_jを与えるｃｏｓθ_jは式（７）で与えられる。なお、ｎ_airは入射媒体の屈折率であって、本例では空気であるためｎ_air≒１．０であり、θ_airは入射界面の光の入射角度、すなわち、ミラーに対する光の入射角度である。以上の設定を満たすように計算を行うと、上記３つの実施形態に係る多層膜ミラーを得ることができる。
【００３４】
図１３は、上記いずれかの多層膜ミラーを用いた広帯域レーザのシステム構成図である。この広帯域レーザは、１対の上記多層膜ミラー１００ａ，１００ｂを備えており、チャープ補償を行っている。
【００３５】
この広帯域レーザは、波長７９０ｎｍのレーザ光を出射するチタンサファイアレーザからなるレーザ光源１０１を備えている。レーザ光源１０１から出射されるレーザ光は、パルス幅１３０ｆｓ、光強度４００μＪ、繰り返し周波数１ｋＨｚを有する。
【００３６】
このレーザ光は、ビームスプリッタＢＳによって２つに分割され、分割された光の一方は可変ＮＤフィルタ（アッテネータ）１０２、レンズ１０３、通過するレーザ光の波長帯域を少なくとも５００ｎｍ〜８００ｎｍに広げるサファイア基板１０４、ミラー１０５、ミラー１０６、１０７、光学フィルタ１０８、ミラー１０９、ミラー１１１を介し、信号光として非線形光学結晶（ＢＢＯ）１１２に入射される。なお、光学フィルタ１０８は、波長５００ｎｍ〜８００ｎｍのレーザ光から波長７５０ｎｍ以下のレーザ光を選択する光学フィルタ１０８であり、非線形光学結晶１１２には５００ｎｍ〜７５０ｎｍの信号光が入射される。
【００３７】
分割された光の他方は、ミラー２０１、レンズ２０２、非線形光学結晶（ＬｉＢ₃Ｏ₄）２０３、レンズ２０４、第２高調波である波長３９５ｎｍの光を反射し基本波である波長７９０ｎｍの光を透過するハーモニックセパレータ２０５、プリズム２０６、レンズ２０７、２０８を介し、波長３９５ｎｍの励起光として非線形光学結晶１１２に入射される。なお、信号光と励起光の偏光方位は直交している。
【００３８】
励起光の照射によって非線形光学結晶１１２が励起されている間に、信号光がこれに入射すると、この信号光は光パラメトリック効果によって増幅される。なお、増幅された信号光が波長５５０ｎｍ〜７００ｎｍの波長帯域を有するように、光路長調整用ミラー１０７の位置決めが行われている。増幅された信号光は、ミラー１１３ａにより反射され、再び非線形光学結晶１１２に入射する。この時、非線形光学結晶１１２を通過した励起光もミラー１１３ｂにより反射され再び非線形光学結晶１１２に入射する。これにより信号光は再び増幅され、ミラー１１１で反射されてミラー１１０に入射する。この時ミラー１１３ａは縦方向に若干傾いているため光路が空間的に分離され、ミラー１１０は、増幅された信号光を反射し、反射された信号光はミラー１１４、１１５、ペリスコープＰＳ、ミラー１１７を介してプリズム対３００ａ，３００ｂに入射する。
【００３９】
増幅された信号光（波長５５０ｎｍ〜７００ｎｍ）は、この時点までの経路の通過によって、群遅延分散を有している。プリズム対３００ａ，３００ｂは、この分散を若干補償し、補償された信号光はミラー１１７を介することなくその側部を通過して多層膜ミラー対１００ａ，１００ｂに入射する。ここで、入射するレーザ光の帯域（波長５５０ｎｍ〜７００ｎｍ）は、多層膜ミラー１００ａ，１００ｂの反射帯域（波長５００ｎｍ〜７７０ｎｍ）よりも狭いため、反射光は効率的にチャープ補償される。
【００４０】
多層膜ミラー１００ａ，１００ｂは、互いに平行に配置されており、多層膜ミラー１００ａのへの光の入射角は４５度以内に設定されている。信号光は多層膜ミラー対１００ａ，１００ｂによって数回反射された後、これから出射される。なお、出射光の波長は５５０ｎｍ〜７００ｎｍであって、パルス幅５ｆｓ以上、光強度５μＪ以上である。
【００４１】
以上、説明したように、本実施の形態に係る広帯域レーザは、レーザ光源１０１から出力された所定波長（７９０ｎｍ）のレーザ光から、多層膜ミラー１００ａ，１００ｂによる反射光帯域（５００ｎｍ〜７７０ｎｍ）よりも狭帯域（波長５５０ｎｍ〜７００ｎｍ）のレーザ光を生成し多層膜ミラーに入射させる光学系ＢＳ，１０２〜１１６，２０１〜２０８，３００ａ，３００ｂ，３００ｃを備えている。この光学系によるレーザ光の帯域は多層膜ミラー１００ａ，１００ｂの反射帯域よりも狭いため、反射光は効率的にチャープ補償される。
【００４２】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明に係る多層膜ミラーは、上述の設定を行うことにより、５００ｎｍ〜７７０ｎｍの波長帯域を有する光パルスの幅を数〜数十ｆｓオーダに圧縮することができる。このミラーを用いた広帯域レーザは、超短パルスの広帯域レーザ光を出射することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施の形態に係る多層膜ミラーの断面構成図。
【図２】第１実施形態に係る各膜の光学膜厚（ｎｍ）及びその好適範囲（ｎｍ）を示す表。
【図３】図２に示した多層膜各膜の番号１，２・・・４０と光学膜厚（ｎｍ）との関係を示すグラフ。
【図４】図２に示した多層膜ミラーによる反射光波長（ｎｍ）と群遅延（ｆｓ）との関係を示すグラフ。
【図５】第２実施形態に係る各膜の光学膜厚（ｎｍ）及びその好適範囲（ｎｍ）を示す表。
【図６】図５に示した多層膜ミラーによる反射光波長（ｎｍ）と群遅延（ｆｓ）との関係を示すグラフ。
【図７】第３実施形態に係る各膜の光学膜厚（ｎｍ）及びその好適範囲（ｎｍ）を示す表。
【図８】図７に示した多層膜ミラーによる反射光波長（ｎｍ）と群遅延（ｆｓ）との関係を示すグラフ。
【図９】第４実施形態に係る各膜の光学膜厚（ｎｍ）及びその好適範囲（ｎｍ）を示す表。
【図１０】図９に示した多層膜ミラーによる反射光波長（ｎｍ）と群遅延（ｆｓ）との関係を示すグラフ。
【図１１】第５実施形態に係る各膜の光学膜厚（ｎｍ）及びその好適範囲（ｎｍ）を示す表。
【図１２】図１１に示した多層膜ミラーによる反射光波長（ｎｍ）と群遅延（ｆｓ）との関係を示すグラフ。
【図１３】多層膜ミラーを用いた広帯域レーザのシステム構成図。
【図１４】光学膜厚を設定するために用いるための式（１）〜（９）をまとめて示す表。
【符号の説明】
ＳＢ…ガラス基板、ＭＬ…多層膜。

Claims

屈折率の異なる複数の誘電体膜を基板上に積層してなる多層膜ミラーにおいて、
可視光帯域における反射率が９５％以上であって、
その露出面を構成する最外膜の屈折率がこの最外膜直下の膜の屈折率よりも低く、
前記最外膜直下の膜の光学膜厚は、前記最外膜の光学膜厚よりも薄く、且つ、
前記帯域内の長波長成分の群遅延が短波長成分の群遅延よりも大きくなるように、前記誘電体膜各膜の光学膜厚が前記最外膜側からの前記誘電体膜の層数に対して二次関数で増加する曲線に沿って前記最外膜側から前記基板側へ向かう方向に増加し、且つ、波長に対する群遅延が、少なくとも波長５００ｎｍ〜７５０ｎｍにおいて、傾き０．０５〜０．１５（ｆｓ／ｎｍ）で単調に増加する、又は、波長５００ｎｍ〜７７０ｎｍにおいて、傾き０．１５〜０．１９（ｆｓ／ｎｍ）で単調に増加するように設定されていることを特徴とする多層膜ミラー。
前記可視光帯域は波長５００ｎｍ〜７７０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の多層膜ミラー。