JP4800967B2 - パルスデカップリング原理に従う超短パルス生成のための高繰り返しレーザーシステム - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の序文に記載のパルスデカップリング原理に従う超短パルス生成のための高繰り返しレーザーシステムと、前記レーザーシステムの使用に関する。

既知の超短パルスレーザーシステムは、例えば材料加工、顕微鏡観察、生物医学、又は光子成分の生成といった非常に多くの分野で用いられている。しかし、前記レーザーシステムはかなりの複雑さと大きな取扱いの努力を必要とするため、研究室の外での使用には、しばしば問題が発生する。フェムト秒パルスの高エネルギーに加えて、特に前記レーザーシステムのコンパクトさが工業的使用において重要な役割を果たす。

パルスデカップリング又はキャビティダンパー原理に従うレーザーアレンジメントは、微細構造領域での使用に要求されるエネルギーとピークパルスパワーとを有するパルスの発生を許容する。従って、複雑な増幅器アレンジメント無しで済ますことが可能であり、それはコンパクトな設計に繋がる。

パルスデカップリング又はキャビティダンパー原理に従う、100nJ以下のパルスエネルギーを有するレーザーシステムは、例えば「Cavity- dumped femtosecond Kerr-lens mode-locked Ti:A1₂0₃ laser」（Optics Letters, vol. 18, no. 21, 1St November 1993, pages 1822 to 1824）で知られている。この文献は、参考のため本出願に添付する。モードカップルドTi:A1₂0₃レーザーは、キャビティダンパーとしての音響光学的スイッチと共に、100 nJのエネルギー又は0.1 MWのピークパルスパワーと950 kHz以下の調整可能な速度を有する５０フェムト秒パルスを生成するために操作される。前記スイッチ自身は、Brewster角でミラーによってレーザービームを集光する水晶セルからなる。ポンピングのためにアルゴンレーザーが用いられ、４つのプリズムを有する下流域が分散補償のために用いられる。

「All-solid-state cavity-dumped sub-5-fs laser」（A. Baltuska, Z. Wie, M. S. Pshenichniko, D. A. Wiersma, Robert Szipocs著, Appl. Phys. B 65, 1997, pages 175 to 138）には、キャビティダンパー原理に従い持続時間５フェムト秒未満のレーザーパルスが生成される固体レーザーシステムが記載されている。この文献は、参考のため本出願に添付する。用いられたTi-sapphireレーザー媒質は、再びダイオードでポンプされるNd:YVO₄レーザー媒質を有する周波数逓倍固体レーザーによってポンプされる。キャビティダンパーとしての形式は、音響光学スイッチとしてのBraggセルによって成立する。このアレンジメントは、Kerrレンズ効果によるモードカップリングキャビティが音響光学変調器のばらつきによって妨害されないように、注意深い設計を要求する。電気光学的変調器の使用可能性に言及しているが、約10 kHzでの達成可能な繰り返し率の限界が強調されている。記載されたレーザーシステムを用いて、２メガワットのピークパルスパワーと1 MHzの繰り返し率を有する５フェムト秒以下のパルスを実現することが意図されている。

キャビティダンピングと電気光学スイッチとを用いた高繰り返しレーザーは、「High-repetition-rate electro-optic cavity dumping」（D. Kruger著、Rev. Sci. Instrum. 66 (2) , February 1995, pages 961 to 967）に記載されている。この文献は、参考のため本出願に添付する。アルゴンレーザーで同調してポンプされるモードカップルド色素レーザーがアレンジメントの基礎として従事し、２つの重水素を含むKD*P 結晶からなり、薄膜偏光子を備えたLM 20 Pockels セルがスイッチとして用いられる。レーザー媒質は、Rhodamine 6Gのエチルグリコール溶液からなる。生成したパルスは、平均75mWのデカップルドパワーと10 MHzの繰り返し率で１５ナノ秒の持続時間を有する。

電気光学スイッチを用いたキャビティダンパー原理に従うレーザーは、「Practical source of 50 ps pulses using a flashlamp pumped Nd:YAG laser and passive all-solid-state pulse control」（V. Kubecek, J. Biegert, J. -C. Diels, M. R. Kokta著、Optics Communications 177 (2000), pages 317 to 321）に記載されている。この文献は、参考のため本出願に添付する。Nd:YAGレーザー媒質は、フラッシュランプによってポンプされる。用いられる前記電気光学スイッチは、誘電体偏光子を備えたPockelsセルである。５０ピコ秒パルスの達成可能なエネルギーは、5 Hzの繰り返し率で300 pJと記載されており、キャビティ内部での個々のパルスの圧縮が成立している。

従ってTi:A1₂0₃レーザーは、達成可能なピークパルスパワーにおいて色素レーザーを凌ぐ。しかし、所要の小さな力によって自己位相変調の効果が高すぎるため、達成可能なパルスエネルギーは音響光学変調器の使用によって制限され、その結果パルスは不安定となり、又は変調器材料の破壊につながる。その上、色素レーザーの場合、時間に関係したレーザー媒質の劣化があり、フラッシュランプ又は固体レーザーによるポンピングは、複雑なシステムにつながる。

従って、従来の一般的なレーザーシステムは、その設計によって複雑すぎるものであって、使用される構成部材は、達成可能なパルスエネルギーに制限され、又はフェムト秒範囲でのパルス持続時間を達成できないものであった。

本発明の目的は、コンパクトなレーザーシステムを提供することであって、特に10 kHz より大きな繰り返し率と100 nJを越えるパルスエネルギーとを有する超短パルスを生成するデカップリングの原理に従うダイオードポンプドレーザーシステムを提供することである。

別の目的は、特にキャビティ外のパルス増幅器のための構成要素の無い、10 kHz より大きな繰り返し率における100 kWを越えるピークパルスパワーを有するコンパクトレーザーシステムを提供することである。

請求項１の主題又は従属項の主題によって、これらの目的は達成され、解決法がさらに開発される。

前記発明は、ダイオードポンプドピコ秒又はフェムト秒発振器がスイッチとしての電気光学的変調器と共に動作する、パルスデカップリング原理に従う高繰り返しレーザーシステムに関する。

ＡＯＭと比較した場合のＥＯＭの長所は、ＥＯＭが非常に大きなビーム断面（例えばｄ＝７００μｍ）でも動作可能であり、よってスイッチにおいて生成されたパルスパワー又はパルスエネルギーにおいて過度の自己位相変調（ＳＰＭ）又は破壊を回避することが、より高いエネルギーにおいて可能であることである。一方、ＳｉＯ_２−ＡＯＭは、スイッチング側面の同じ短さを達成するためには、一般的に３ｍｍの変調器長さにおいてｄ＜５０μｍを要求する。焦点合わせを大きく保ったまま長い変調器セルを得ることが可能であることは事実である。しかし、相互作用長さの増加のせいで、蓄積された非線形位相は著しく減少はしない。付け加えると、スイッチング効果をＥＯＮ法と匹敵する程度に達成するためには、ＡＯＭは、比較的複雑な共振器設計を意味するところのＭｉｃｈｅｌｓｏｎ構成において動作させる必要がある。

もし例えばパルスデカップラーの出口において１μＪのエネルギーと２００フェムト秒のパルス幅とを有するフェムト秒パルスの生成を目的とするものであったらば、２μＪのパルスエネルギーがキャビティ内部で存在することが一般的に必要であろう。この要件は、キャビティダンプドレーザーを準静止態様で動作するための必要性に起因し、これを高繰り返し率と５０％以下のデカップリング度で達成することは困難である。ＡＯＭにおける前記断面と出力において、ソリトン条件によって

ここで

もし約−４００００フェムト平方秒の高い負の正味の分散が共振器に導入されるだけで、２００フェムト秒のソリトンを１μｍの波長で安定化させることができる。ここで、β _２は、共振器内部の負の正味の分散を表し、τ _ＦＷＨＭはｓｅｃｈ ^２ −ソリトンの最大値の半分における全幅を表し、Ｅはパルスエネルギーを表し、κは自己位相変調パラメーターを表し、ｌ_ＡＯＭは音響光学変調器の単独長さを表し、ｎ_２は非線形Ｋｅｒｒ効果に由来する非線形屈折性指数を表し、λ _０は真空波長を表し、ω _０はＡＯＭにおけるビーム半径を表す。

加えるに、前記分散が存在する場合、単独経路において共鳴サイクルの間に過度に高いチャープが形成され、パルスパラメータが非常に大きく変化するから、問題はいまだに残存する。この結果、静止したソリトンの動作は不可能となり、一般に、分散的輻射が共鳴器内部で形成され、複合パルス又は慣性不安定をもたらす。例えば、共鳴期間とソリトン期間との比rは、この観点においてレーザーの傾斜を測定することによって定義することができる。

安定な動作のためには、この比は１より十分に小さくなければならない。上記場合において、値は約３であり、明らかに大きすぎる。従ってフェムト秒パルスの生成において、パラメータrを1未満、特に0.25未満、さらに0.1未満となるように選択することは長所である。この計算の基本は、「Femtosecond Solid-State Lasers」（F. Krausz, M. E. Fermann, T.Brabec, P. F. Curly, M. Hofer, M. H. Ober, C. Spielman, E. Wintner A. J. Schmidt著、IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 28, no. 10, pages 2097-2120, October 1992）に記載されている。この文献は、参考のため本出願に添付する。

従って、パルスデカップリング原理に従うフェムト秒レーザーシステムのために、パルスエネルギーはＡＯＭよりＥＯＭにおいて容易に拡張可能である。一般的な変調器材料（例えばＢＢＯ）と変調器長さに対して、ＥＯＭが生成する分散は、例えばキャビティ内のミラーといった一連の分散構成部品によって相対的に容易に補償することができる。分散性ミラーの数は、すべてのミラー、レーザー媒質、薄膜偏光子とＢＢＯ ＥＯＭが主要な比率で、ソリトン条件によって貢献するキャビティ内で補償されるべき正の分散によって決定される。一定の周期的パルスエネルギーと自己位相変調のパラメータと達成すべきパルス幅に対して、一定の負の正味の分散がキャビティ内に広がる必要があることを後者は表している。ＥＯＭスイッチの場合に可能な大きなレーザービーム断面のおかげで、自己位相変調のパラメータκがレーザー媒質のビーム断面と、その非線形屈折率ｎ_２によってのみ決定される。

分散補償のために、例えばGires-Tournois干渉計といった分散性ミラーの使用が可能であり、これはキャビティ内の正の分散を補償するためと、ソリトン条件を充たすために従事する。

パルスデカップリングの原理に従うレーザーシステムの前記設計を用いて、1 MHzを越える繰り返し周波数と500 nJのパルスエネルギーと、従って1 MWを越えるパワーとを有するフェムト秒パルスが生成された。レーザーシステムは、分散性ミラーと可飽和吸収ミラーとを使用してモードカップル方式で動作する。

達成可能な放射特性によって、本発明に係るレーザーシステムも、直接の、即ち増幅器無しでの材料加工への使用が可能である。ここで、加工に用いられるプラズマは、材料と直接接触する輻射場によって生成する。本発明に係るレーザーシステムの使用例は、以下の概略図と、以下の詳細な説明に示される。

図１は、本発明に係るパルスデカップリング原理に従うフェムト秒範囲のレーザーシステムの第１実施例を示している。前記レーザーシステムは、本来既知の実施例における折り返しキャビティを基礎としている。用いられたレーザー媒質１１は、イッテルビウムをドープしたLG760ガラスで、976 nmで放射するポンプダイオード９によって２枚の色消しレンズ１０の組み合わせを経由してポンプされる。レーザー媒質１１に適したその他の材料としては、例えばイッテルビウムをドープしたタングステン酸塩、例えばYb:KGWやYb:KYWなどがある。前記レンズ１０は、それぞれ30 mm と 75 mmの焦点距離を有する。ソリトンモードカップリングは、必要な負の分散を生成するための分散ミラー6a-d, 7a-g, 8a-iと共に飽和吸収可能なミラー１４によって達成される。音響光学的変調器の過度の自己位相変調を回避するために、ベータ・バリウムホウ酸塩（BBO）Pockelsセルが、電気光学部品１として薄膜偏光子４と共にパルスデカップリングのために用いられ、これは高電圧供給源２とスイッチング信号生成器としてのコンピュータとを経由して接続される。電気光学部品１に供給される電圧に依存して、レーザービームの偏光面は回転し、デカップリングは薄膜偏光子４を経由して成立することができる。

キャビティ内部では、パルスがノイズ又は先行パルスの残存照射野から立ち上がり、レーザー媒質１１によって各通過毎に増幅され、分散ミラー6a-d, 7a-g, 8a-Iで多重反射が発生する。一定数の共振サイクルと増幅用レーザー媒質１１の通過の後に、レーザーパルスとして、パルスは偏光子の回転によって薄膜偏光子４を経由して電気光学部品１の切替を用いてデカップルされる。このアレンジメントは、パルスデカップリング原理に従うレーザーアレンジメントの一実施例を示すに過ぎない。

電気光学的変調器として適当なその他の構成部材としては、例えばRTiOPO4又はルビジウム・チタン・リン（RTP）からなるセルがある。発生する熱的ドリフト効果のために、この観点における再調整又は再規制が有利である。

図２に、EOMと共にパルスデカップリング原理に従うダイオードポンプされたSESAMモード・カップルドNd:YVO4ピコ秒レーザーを、本発明に係るレーザーシステムの第２実施例として示す。前記レーザーシステムは、図１に示されたアレンジメントと類似しており、同様に、本来の既知の実施例における折り返しキャビティを基礎としているが、図２には明確さを理由に明示してはいない。部分透過ミラー層１５と共に設けられ、２枚の色消しレンズ１０’の組み合わせを経由してポンプダイオード９’でポンプされるNd:YVO4が、レーザー媒質１１’として用いられる。パルスデカップリングは、電気光学部品１’と薄膜偏光子４’とを経由して成立する。モードカップリングは、飽和吸収可能なミラー１４’によって成立する。キャビティは、曲面ミラー１６によって折り返される。

図１のフェムト秒レーザーシステムとは対照的に、分散管理無しで済ますことが可能であり、一連の分散ミラー部品は不要である。

ピコ秒パルスの生成時に、100 mrad未満、特に10 mrad未満の非線形位相を選択することは安定性の理由にとって有利であり、前記非線形位相は、共振サイクル毎に計算され、飽和可能な吸収ミラーの1 %の変調深さ毎に計算される。ピコ秒レーザーの安定性における自己位相変調の効果は、例えば「Passive mode locking with slow saturable absorbers」（R. Paschotta, U. Keller著、 Appl. Phys. B73, pages 653-662, 2001）に記載されている。電気光学変調器上とレーザー媒質において対応する大きなモード径を選択することによって、非線形位相を十分に小さく保つことができる。

図１や図２のアレンジメントの代替として、いわゆる薄い円板アレンジメントにおける円板状のレーザー媒質も用いることができ、これに対しては丸いポンプ光スポットに加えて、非対称ポンプ光スポットによってもポンプすることが可能である。レーザーで活性化される材料の過度に高い熱的充填を避けるために、実質的に引き延ばしたポンプ光スポットが温度シンク上に配置されたレーザー媒質に入射し、二次元熱フローを形成する。その結果、改良された冷却と最大温度からの減少が得られる。 前記アレンジメントは、例えばPCT/5P2004/005813に記載されている。多重反射の効果は、引き延ばされたポンプ光スポットを形成するためにも用いることができる。ここで、互いに対して傾いたミラー表面によって、反射点間の距離が可変の多重反射を得ることができ、一定数の反射の後に方向の反転をもたらす。この例において、反射はミラー表面とレーザー媒質内又は上の反射層との間で成立し、この反射層はレーザー媒質と温度シンクとの間に適用することが可能である。例えば単一レーザーダイオード又は複数のレーザーダイオードからのポンプ光ビームは、この設定において一側部から挿入され、再びデカップルされるので、有利な設計のアレンジメントが可能である。代替的に、しかし、ミラー表面も反射層と平行平面に配置できるので、ビームの一部の方向の反転は、本来既知の手法におけるその他のミラーによっても成立する。類似の手法において、レーザーモードと増幅される照射野とは、レーザー媒質を複数回通過することが可能であり、従って多重増幅を体験することができる。特に自己位相変調の最小化に関して、光学レーザー媒質の光学長を非常に小さく（一般的に1 mmよりかなり小さく）できることから、円板のアレンジメントは有利である。

図３と図４は、時間の関数としてのキャビティ内部でのパルスエネルギー曲線を示す。本発明に係るレーザーシステムによって、1 MHzを越えるデカップリングの繰り返し率を得ることができ、デカップルされたパルスと弱い背景パルスとの間のコントラストは、1:1000より良い。得られたパルスエネルギーは、1 MWを越えるピークパルスパワーに対応して400 nJを越える。出力のスペクトル幅は、4 nmであり、デカップルされたパルスの持続時間は、約300フェムト秒であり、これは自己相関によって測定された。その結果、時間とバンドパスの積は0.33という結果になり、これはフーリエ限界に近い。

図３と図４とは、パルスデカップリング間の一般的な緩和曲線を示す。図３は繰り返し率15 kHzの、図４は173 kHzの時の曲線を示す。図４において、定常状態には各デカップリング後に再び達せられ、緩和振動は大きく弱められるが、これはソリトンパルス力学で説明可能である。図４において、デカップリングは照射野の増強の間に定常状態に達する前に発生する。

図５にＥＯＭと共にＮｄ：バナジウムレーザーからなるピコ秒アレンジメントにおける１ＭＨｚの繰り返し周波数に対するキャビティ内部のパルスの放出を示す。前記パルスの放出は、時間の関数として規格化された形式で、参照値に対して相対的にプロットされている。個々のデカップリングプロセスとそれに続くパルスの増強を示す。デカップリング度は約４０％で、キャビティの外で測定したパルスエネルギーは約１．７μＪである。

デカップリング後のキャビティの外でのパルス放出を、この例として図６に示す。

図７はピコ秒アレンジメントにおける繰り返し周波数100 kHzでのキャビティ内部でのパルスの放出を示す図である。個々のデカップリングプロセス間のレーザーの緩和振動は、全く明らかである。

図８は、ピコ秒の場合のデカップリング周波数の関数としてのデカップルされたエネルギー曲線である。約400 kHzで観察された過度の上昇は、このデカップリング周波数で発生する緩和振動の最初の最大値に対応している。

もちろん、ここに示したレーザーシステム又はレーザーアレンジメントは、本発明によって実現可能な多数の実施例のうちの数例にすぎず、当業者はレーザー設計を実現するための代替の方式、例えば他の共振器アレンジメントを使用したり、共振器部品又は薄板レーザーといったポンピング方法等を導き出すことができる。特に、例えばより高い繰り返し率の実現を可能とする代替の分散性部品やレーザー媒質、他の電気光学部品等を使用することによって、記載した例とは異なるスイッチング及び／又は制御部品を設計することは可能である。

本発明に係るフェムト秒レンジにおける第一のレーザーシステムの実施例を示す図である。 本発明に係るピコ秒レンジにおけるレーザーシステムの第２実施例を示す図である。 フェムト秒アレンジメントにおける15 kHzの繰り返し周波数に対する時間の関数としてのキャビティ内部のパルスエネルギー曲線を示す図である。 フェムト秒アレンジメントにおける173 kHzの繰り返し周波数に対する時間の関数としてのキャビティ内部のパルスエネルギー曲線を示す図である。 ピコ秒アレンジメントにおける1 MHzの繰り返し周波数に対するキャビティ内部のパルスの放出を示す図である。 ピコ秒アレンジメントにおける1 MHzの繰り返し周波数に対するキャビティ外部でのデカップリング後のパルスの放出を示す図である。 ピコ秒アレンジメントにおける100 kHzの繰り返し周波数に対するキャビティ内部のパルスの放出を示す図である。 フェムトとピコ秒アレンジメントに対するデカップリング周波数の関数としてのデカップルドエネルギー曲線を示す図である。

符号の説明

１ 電気光学部品
２ 高電圧供給源
３ スイッチング信号発生器
４ 薄膜偏光子
５ 高反射部材
６a-d 分散性平面ミラー
７a-g 分散性平面ミラー
８a-i 分散性曲面ミラー
９ ポンプダイオード
１０ 色消しレンズ
１１ レーザー媒質
１２ フォトダイオード
１３ 複屈折フィルタ
１４ 飽和吸収可能なミラー

Claims (18)

1. 少なくとも増幅用レーザー媒質（１１，１１’）と、
   少なくとも一つの共振ミラー（６ａ−ｄ，７ａ−ｇ，８ａ−ｉ，１６，１４，１４’）と少なくとも一つのパルスデカップリング部品（１，１’）を備えたレーザー共振器と、
   飽和吸収可能なミラー（１４，１４’）と、
   前記レーザー媒質（１１，１１’）をポンピングするためのポンプ源（９，９’）とを備え、
   前記パルスデカップリング部品（１，１’）が電気光学的変調器であり、１０ｋＨｚより大きな繰り返し率を有する超短パルスを生成することを特徴とする、
   パルスデカップリング原理に従う、フェムト又はピコ秒パルスを生成するための高繰り返しモードカップルド超短パルスレーザーシステム。
2. 前記ポンプ源はレーザーダイオード源から構成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ーシステム。
3. 前記電気光学的変調器がＢＢＯセルであることを特徴とする請求項１記載の超短パルスレーザーシステム。
4. 前記電気光学的変調器がＲＴＰセルであることを特徴とする請求項１記載の超短パルスレーザーシステム。
5. 前記ＲＴＰセルは熱的ドリフトを補償するための部品を有することを特徴とする請求項４記載の超短パルスレーザーシステム。
6. 前記共振ミラーの少なくとも１つが分散補償のための少なくとも一つの分散ミラー（６ａ−ｄ，７ａ−ｇ，８ａ−ｉ）から構成される請求項１ないし５のいずれか１項記載の超短パルスレーザーシステム。
7. 前記分散ミラー（６ａ−ｄ，７ａ−ｇ，８ａ−ｉ）は、Ｇｉｒｅｓ−Ｔｏｕｒｎｏｉｓ干渉計を備えることを特徴とする請求項６記載の超短パルスレーザーシステム。
8. ピコ秒パルスの生成において、非線形位相が１００ｍｒａｄ未満であって、コンピュータにより前記非線形位相が共振サイクル毎に計算され、飽和吸収ミラーの１％の変調深さ毎に計算されるように、前記レーザーシステムが形成されることを特徴とする請求項６記載の超短パルスレーザーシステム。
9. 非線形位相が１０ｍｒａｄ未満であることを特徴とする請求項８記載の超短パルスレーザーシステム。
10. フェムト秒パルスの生成において、ソリトン周期に対する前記レーザー共振器における共振周期の比を示すｒパラメータが１未満であるように前記レーザーシステムが形成されることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか1項記載の超短パルスレーザーシステム。
11. 前記ｒパラメータは下記式で表され、
    

    

    ここで、τ _ＦＷＨＭ はｓｅｃｈ ^２ −ソリトンの最大値の半分における全幅を表し、Ｅはパルスエネルギーを表し、κは自己位相変調パラメーターを表すことを特徴とする請求項１０記載の超短パルスレーザーシステム。
12. 前記ｒパラメータが０．２５未満であることを特徴とする請求項１０または１１記載の超短パルスレーザーシステム。
13. 前記レーザー媒質（１１，１１’）がイッテルビウムをドープしたガラス又はＮｄ：ＹＶＯ_４であることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項記載の超短パルスレーザーシステム。
14. 前記レーザー媒質（１１，１１’）がイッテルビウムをドープしたタングステン酸塩から構成されることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１項記載の超短パルスレーザーシステム。
15. 前記レーザー媒質（１１，１１’）はＹｂ：ＫＧＷ又はＹｂ：ＫＹＷから構成されることを特徴とする請求項１４記載の超短パルスレーザーシステム。
16. 前記レーザー媒質が、円板状の幾何学形状を有することを特徴とする請求項１ないし１５のいずれか１項記載の超短パルスレーザーシステム。
17. 長さ対幅の比が少なくとも２：１のポンプ光スポットが形成され、前記ポンプ光スポットが単一光線又は複数の光線の組み合わせからなり、前記光線は好ましくはレーザーダイオードによって生成されるように、前記ポンプ源が設けられ配置されたことを特徴とする請求項１ないし１６のいずれか1項記載の超短パルスレーザーシステム。
18. プラズマ発生による直接材料加工のための、請求項１ないし１７のいずれか1項記載の超短パルスレーザーシステムの使用。

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