JP5117681B2

JP5117681B2 - 再生増幅器及び利得平滑化方法

Info

Publication number: JP5117681B2
Application number: JP2006043901A
Authority: JP
Inventors: 修平山本; 浩二関; 隆行柳澤; 嘉仁平野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-02-21
Filing date: 2006-02-21
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2026-02-21
Also published as: JP2007227448A

Description

この発明は、加工用レーザ装置やレーザを用いた計測装置において、高ピーク、短パルスレーザ光を得る再生増幅器及び利得平滑化方法に関するものである。

パルスエネルギーの小さなレーザ光を増幅させる手段として再生増幅器がある。再生増幅器は、小さなエネルギーのレーザ光を、複数回レーザ媒質を通過させて増幅し、大きなエネルギーのレーザ光として取り出すことができる。再生増幅器は、一般に、最低２枚の反射鏡により構成される共振器と、共振器内に配置されたレーザ媒質、偏光子、偏光スイッチにより構成される。共振器内に入射した小さなエネルギーのレーザ光は、偏光スイッチにより偏光方向を回転され、共振器内に閉じ込められる。閉じ込められたレーザ光は、共振器内を複数回往復することから、レーザ媒質を複数回通過して、エネルギーが増幅する。十分に大きくなった時点で再び偏光スイッチにより偏光方向を回転させることで、偏光子から大きなエネルギーのレーザ光を取り出すものである。

再生増幅器では、レーザ媒質の利得が小さく、レーザ光がレーザ媒質を１回通過する際の増幅率が小さい場合でも、レーザ光は複数回レーザ媒質を通過するために、最終的には大きなエネルギーをレーザ媒質から抽出することができ、この結果、大きなエネルギーのレーザ光を得ることができる。

増幅器において留意しなければならない点の一つに、レーザ媒質からの自然放出光の増幅（ＡＳＥ：Amplified Spontaneous Emission）がある。ＡＳＥは、レーザ媒質の利得が高いほど発生し易く、再生増幅器では、さらに、周回数が多く、増幅率が大きいほど発生し易い。ＡＳＥは、意図しない光の増幅であり、ＡＳＥの発生によりレーザ媒質に蓄えられたエネルギーが抽出されるため、レーザ光の増幅出力は、低下するという問題があった。

このような不具合を解決するものとして、従来の再生増幅器がある（例えば、特許文献１参照）。従来の再生増幅器では、増幅器の共振器内に過飽和吸収体を配置する。過飽和吸収体は、小さなエネルギーが入射した場合は、光出力を吸収し損失源となり、一定以上のエネルギーが入射した場合は、透明体となり低損失で通過させる特性を持つ。このため、レーザ媒質から放出される微弱な自然放出光は過飽和吸収体で吸収されるため、共振器内を往復せず、次々と増幅することが無い。一方、レーザ光の入射エネルギーを過飽和吸収体が透明になるしきい値以上にすることで、共振器内を往復させ、大きなエネルギーをレーザ媒質から抽出することができる。このため、再生増幅器の周回数を多数回に設定し、増幅率を大きくした場合でもＡＳＥの発生は無く、大きなエネルギーのレーザ光を得ることができるなどの特徴がある。

特開平７−９４８１６号公報

しかしながら、従来の再生増幅器では、周回数が多いほど、増幅されたレーザ光の波長帯域の狭窄化が強く起こり、再生増幅器への入射光に比べ、出力光の波長帯域は狭いものになる。このため、パルスの時間幅が長くなり、パルスのピーク出力が低下するなどの問題がある。

レーザ媒質は、励起が行われることで、活性媒質の種類やホストの材料に応じて、ピーク波長と利得帯域のある利得を発生させる。レーザ光の増幅は、その利得に応じて増幅される。利得の高いピーク波長では高い増幅率が得られ、利得の低い波長では小さな増幅率になる。再生増幅器では、単一の周回で高い増幅が得られるピーク波長は、次の周回でより高い増幅が得られることとなり、多数回の周回後には利得の低い波長に比べ、利得の高い波長の出力は非常に大きなものとなる。このため、波長幅は狭くなり、波長帯域の狭窄化が起こる。このような波長帯域の狭窄化は、再生増幅器の周回数が多いほど強く起こる。

固体レーザ媒質が例えばＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅの場合には、励起には固体レーザの２次高調波が必要であるため、システムが大型で複雑なものであるが、利得が高いため、高効率のエネルギー抽出となる飽和増幅が行われるまでの周回数は比較的少ない。このため、出力光の波長帯域の狭窄化の影響は小さい。一方、活性媒質がＹｂ系の固体レーザ媒質の場合には、半導体レーザによる直接励起が可能であるため、システムが小型で簡便に構成可能であるが、利得が小さいため、高効率のエネルギー抽出となる飽和増幅を行うためには、周回数はより多く必要となる。このため、Ｙｂ系の固体レーザ媒質を用いた再生増幅器では、出力光の波長帯域の狭窄化がより強く起こることとなる。

図８に、例えば、固体レーザ媒質として、Ｙｂ：ＫＹＷを用いて再生増幅器を構成した場合の、出力光波長の周回数依存性の計算結果の一例を示す。周回数が増加するごとに波長帯域は狭くなり、入射光の波長幅が、例えば１７ｎｍである場合、１周回で波長幅は１５．３ｎｍ、１０周回で８．０ｎｍ、１００周回で３．０ｎｍまで狭窄化される。

レーザ光の時間幅と波長帯域幅はフーリエ変換の関係にあるため、波長帯域の広いレーザ光は、時間的に短いパルス光となり、波長帯域の狭いレーザ光は、時間的に長いパルス光となる。従って、再生増幅器で波長帯域が狭窄化した出力光は、時間的に長いパルス光となるため、ピーク出力は低いものとなるなどの問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、平坦な合計の利得が得られ、多数回の周回による波長帯域の狭窄化が抑制され、波長幅が広い出力光が得られ、このため、時間的に短い超短パルス光が得られ、エネルギーが高く、かつ、ピークパワーの大きい超短パルス光を得ることができる再生増幅器、モードロックレーザ及び利得平滑化方法を得るものである。

この発明に係る再生増幅器は、光学的に対向して配置された第１及び第２の反射鏡から共振器を構成する再生増幅器であって、前記第１及び第２の反射鏡の間で前記共振器の光軸上に配置され、利得を発生し、入射した光を増幅する第１及び第２の異方性の固体レーザ媒質と、前記第１の反射鏡及び前記第１の異方性の固体レーザ媒質の間で前記共振器の光軸上に配置された偏光子と、前記第１の反射鏡及び前記偏光子の間で前記共振器の光軸上に配置され、電圧印可により偏光方向の制御を行う偏光スイッチとを設け、前記第１及び第２の異方性の固体レーザ媒質の結晶軸又は光学軸をそれぞれ異なる方向にとって配置し、前記第１及び第２の異方性の固体レーザ媒質がそれぞれ発生するピーク波長が異なる増幅利得を組合せた波長依存性の平坦な増幅利得により、前記偏光子から入射した光を増幅するものである。

この発明に係る再生増幅器は、平坦な合計の利得が得られ、多数回の周回による波長帯域の狭窄化が抑制され、波長幅が広い出力光が得られ、このため、時間的に短い超短パルス光が得られ、エネルギーが高く、かつ、ピークパワーの大きい超短パルス光を得ることができるという効果を奏する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る再生増幅器について図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る再生増幅器の構成を示す図である。なお、以降では、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

図１において、この実施の形態１に係る再生増幅器１は、光学的に対向して配置された反射鏡（第１の反射鏡）３と反射鏡（第２の反射鏡）４により構成される共振器の同軸上に、かつ上記共振器内に、偏光スイッチ８と、偏光子５と、固体レーザ媒質（第１の固体レーザ媒質）２１と、固体レーザ媒質（第２の固体レーザ媒質）２２とが設けられている。

偏光スイッチ８は、反射鏡３と偏光子５の間で共振器の光軸上に配置され、例えば、偏光回転手段６と、１／４波長板７とから構成される。入射光３１は、偏光子５から共振器内に入射される。周回光３２は、共振器内で周回する。出力光３３は、偏光子５から取り出される。

反射鏡３と反射鏡４は、入射光３１の波長帯域、および、固体レーザ媒質２１、固体レーザ媒質２２の利得帯域で全反射となる反射鏡である。反射鏡としては、例えば、光学材料に誘電体膜を積層して構成する。反射鏡３と反射鏡４は、光学的に対向して配置され、共振器を構成する。共振モードを構成するよう反射鏡３と反射鏡４は、曲面、または、平面としてもよいし、反射鏡３と反射鏡４の間にレンズや曲率鏡などの光学部品を配置して共振モードを形成してもよい。

偏光回転手段６は、例えば、電圧印可時に偏光を回転させるポッケルスセルなどを用いる。１／４波長板７は、通過する光の偏光を回転させる素子であり、直線偏光の単一パスで円偏光に回転させ、往復パスで入射光と９０°直交した直線偏光に回転させるものである。

偏光子５は、偏光方向により、透過、または、反射するものであり、図１紙面に平行な偏光を透過させ、紙面に鉛直な偏光を反射させる特性を持つ。

固体レーザ媒質２１と固体レーザ媒質２２は、ホスト材料に活性媒質が添加されたものである。ホスト材料は、結晶、セラミック、ガラスなどにより構成されていてもよく、活性媒質は、Ｙｂなどの利得帯域の広い材料をもちいてもよい。例えば、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＫＹＷ、Ｙｂ：ＫＧＷ、Ｙｂ：Ｇｌａｓｓ、Ｙｂ：ＹＡＢ、Ｙｂ：ＹＣＯＢ、Ｙｂ：ＧｄＣＯＢ、Ｙｂ：ＬｎＣＯＢ、Ｙｂ：Ｓ−ＦＡＰなどを用いることができる。

つぎに、この実施の形態１に係る再生増幅器の動作について図面を参照しながら説明する。図２は、この発明の実施の形態１に係る再生増幅器の固体レーザ媒質の増幅利得の波長依存性の一例を示す図である。

入射光３１は、図１紙面に平行な偏光の短パルス光である。このため、入射光３１は、偏光子５を通過して、共振器内に導入される。短パルス光は、時間的に引き延ばされたチャープパルス光であってもよいし、引き延ばしのない超短パルス光であってもよい。超短パルス光は、時間幅が短いため小さなエネルギーでも高いピークパワーを持つ。このため、超短パルス光を増幅した場合、所定のエネルギーに達する前に高いピークパワーで増幅器内の光学部品が損傷する場合があり、高出力のエネルギーの増幅光が得られないなどの課題がある。このため、超短パルス光を時間的に引き延ばし、ピークパワーを低下させたチャープパルス光を増幅する方式が知られている。ピークパワーの低いチャープパルス光を所定のエネルギーまで増幅して出力光として取り出し、圧縮器で時間的に圧縮することで、高エネルギーの超短パルス光を得ることができる。

偏光子５から共振器内に入射した入射光３１は、反射鏡３で反射され、偏光回転手段６と１／４波長板７を往復通過する。このとき、偏光回転手段６には、電圧の印可が無く、偏光の回転はない。一方、１／４波長板７を往復通過するために、往復通過時の偏光方向は、９０°回転する。従って、偏光子５を通過して共振器内に入射した入射光３１は、反射鏡３で反射され、再び反射鏡３に戻ってきた際には偏光方向が９０°回転し、図１紙面鉛直方向の偏光になるため、偏光子５で反射する。

偏光子５で反射した光は、固体レーザ媒質２１、固体レーザ媒質２２を通過して光出力が増幅される。図１には、固体レーザ媒質２１、２２の裏面を反射面とする構成について示したが、透過させる構成でもよい。また、固体レーザ媒質２１、２２を２個用いる構成について示したが、個数の制限はなく用いることができる。

固体レーザ媒質２１、２２を通過した光は、反射鏡３と光学的に対向して配置された反射鏡４で反射され、再び固体レーザ媒質２１、２２を通過して光出力が増幅される。さらに、増幅された光は、再び偏光子５で反射される。

このようにして入射光３１が共振器内を１往復する間に、偏光回転手段６に電圧を印可して、偏光回転手段６を単一通過で１／４波長、往復通過で１／２波長回転するように設定する。このため、２周回目の光は、偏光回転手段６の往復通過で９０°、１／４波長板７の往復通過で９０°の偏光回転を受け、合計で１８０°偏光方向が回転する。１８０°の偏光回転では、図１紙面鉛直方向の偏光が、再び鉛直方向になるため、実質の偏光回転は無く、２周回目の光は、偏光子５で反射することとなる。偏光子５を反射した光は、固体レーザ媒質２１、２２で光出力を増幅され反射鏡４で反射されて、再び偏光子５側に戻り、反射されて３周回目の光路をとる。

このようにして、偏光回転手段６に電圧を印可して偏光を回転させている間は、偏光子５から入射した入射光３１は、反射鏡３と反射鏡４の間の共振器内に閉じ込められ、周回光３２となる。周回光３２は、周回を重ね、固体レーザ媒質２１、２２を通過するたびに増幅され、固体レーザ媒質２１、２２からエネルギーを抽出して、大きなエネルギーのレーザ光となる。

大きなエネルギーのレーザ光になった時点で、偏光回転手段６の印可電圧を落とすことで、偏光回転を無くす。このため、１／４波長板７の往復通過による９０°偏光回転により、図１紙面水平方向の偏光となるため偏光子５を通過し、再生増幅器１の出力として出力光３３を取り出すことができる。

共振器内に配置した固体レーザ媒質２１、固体レーザ媒質２２は、異方性を持つ固体レーザ媒質であってもよい。異方性の固体レーザ媒質では、固体レーザ媒質の結晶軸、または、光学軸ごとに利得のピーク波長や波長帯域が異なる場合がある。例えば、図２に示すように、Ｙｂ：ＫＹＷのａ軸方向では、利得のピーク波長１０２５ｎｍ、利得幅（半値全福）２１ｎｍであり、ｂ軸方向では、利得のピーク波長１０３９ｎｍ、利得幅（半値全福）２４ｎｍである。

固体レーザ媒質２１と固体レーザ媒質２２の結晶軸、または、光学軸をそれぞれ、異なる方向にとり、配置する。例えば、図１紙面鉛直方向に平行な周回光３２の偏光方向に対し平行な光学軸を、固体レーザ媒質２１ではａ軸とし、固体レーザ媒質２２ではｂ軸にする。このように配置することで、利得のピーク波長の異なる固体レーザ媒質２１と固体レーザ媒質２２の合計の利得が得られることとなる。ピーク波長の異なる利得の合成の利得となるため、利得の平坦性が高く、より広い利得帯域が得られる。それぞれの利得の大きさは、添加する活性媒質の濃度や励起率の大きさ、固体レーザ媒質の個数などで調整可能なため、それぞれのピーク波長間の利得を平坦にすることが可能である。

例えば、図２には、Ｙｂ：ＫＹＷのａ軸とｂ軸の合成の利得として、１０２５ｎｍから１０３９ｎｍまでほぼ平坦な利得が得られ、利得幅（半値全福）は３２ｎｍとより広帯域が得られる。このように構成したため平坦で幅の広い利得が得られる。

共振器内を多数回周回することで発生する増幅光の波長帯域狭窄化は、利得が大きい波長がより強く増幅されることから生じる。一方、この実施の形態１によれば、平坦で幅の広い利得が得られるため、多数回の周回による波長帯域の狭窄化は抑制され、波長帯域の広い出力光３３が得られる。

このように、再生増幅器１内に、軸方位を変えた異方性の固体レーザ媒質２１、２２を配置したため、平坦な合計の利得が得られ、多数回の周回による波長帯域の狭窄化は抑制され、波長幅が広い出力光３３が得られる。このため、時間的に短い超短パルス光が得られ、エネルギーが高く、かつ、ピークパワーの大きい超短パルス光が得られるなどの特徴がある。

この実施の形態１に係る再生増幅器１に配置する固体レーザ媒質２１、２２を、異方性の固体レーザ媒質の他に、等方性の固体レーザ媒質を用いてもよい。また、等方性媒質と異方性媒質の両方を用いる構成としてもよい。

等方性の固体レーザ媒質では、軸方位による利得のピーク波長や利得帯域の違いは無い。しかし、固体レーザ媒質２１と固体レーザ媒質２２を、ピーク波長の異なる別材料を用いることで、合計の利得を平坦にすることができる。例えば、固体レーザ媒質２１を、利得のピーク波長が１０３０ｎｍのＹｂ：ＹＡＧ、固体レーザ媒質２２を、利得のピーク波長が１０３９ｎｍのＹｂ：ＫＹＷのｂ軸とする。それぞれの利得の大きさは、添加する活性媒質の濃度や励起率の大きさ、固体レーザ媒質の個数などで調整可能なため、それぞれのピーク波長間の利得を平坦にすることが可能である。

このように、再生増幅器１内に別材料の固体レーザ媒質を複数個配置したため、平坦な合計の利得が得られ、多数回の周回による波長帯域の狭窄化は抑制され、波長幅が広い出力光３３が得られる。このため、時間的に短い超短パルス光が得られ、エネルギーが高く、かつ、ピークパワーの大きい超短パルス光が得られるなどの特徴がある。

なお、図１では、偏光子５を通過させることで共振器内に入射光３１を導入する構成について示したが、入射光３１の偏光方向を図１紙面鉛直方向として、偏光子５を反射させることで共振器内に入射光３１を導入する構成としてもよい。この構成の場合、共振器の光軸を、偏光子５を通過させる方向にとることで、同様の周回や増幅が可能である。

偏光回転手段６は、電圧印可時に偏光が回転し、電圧印可が無いときに偏光は回転しない場合について説明したが、電圧印可時に偏光回転が無く、電圧印可が無いときに偏光回転するようにしてもよい。

偏光スイッチ８は、単一通過で１／４波長、往復通過で１／２波長回転するように設定した偏光回転手段６と、１／４波長板７で構成した例について説明したが、同様の動作となる他の構成であってもよい。例えば、偏光スイッチ８は、電圧印可により単一通過で１／４波長、往復通過で１／２波長回転するように設定した偏光回転手段であってもよい。この場合、電圧印可の有無を上記説明と逆にすることで、上記動作と同様の動作が得られる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る再生増幅器について図３を参照しながら説明する。図３は、この発明の実施の形態２に係る再生増幅器の構成を示す図である。なお、特に説明を行わない個所については、上記の実施の形態１と同様である。

図３において、この実施の形態２に係る再生増幅器１では、共振器内に異方性の固体レーザ媒質２３、２４を複数個配置する。このとき、固体レーザ媒質２３、２４の結晶軸、または、光学軸は、同一の向きとする。また、共振器の光軸上で固体レーザ媒質２３、２４の間に１／２波長板１０を配置する。

偏光子５を透過して共振器内に入射した入射光３１は、反射鏡３で反射されて、偏光回転手段６と１／４波長板７を往復通過して偏光方向が回転し、偏光子５で反射する図３紙面鉛直方向の偏光方向となる。偏光子５で反射した光は、固体レーザ媒質２３を通過することで光出力が増幅される。次に、１／２波長板１０を通過し、偏光方向が９０°回転し、図３紙面平行な方向の偏光となり、固体レーザ媒質２４を通過する。さらに、反射鏡４で反射され、再び固体レーザ媒質２４を通過しながら増幅し、再び、１／２波長板１０を通過することで偏光方向が９０°回転し、図３紙面鉛直方向の変更となる。さらに、再び、固体レーザ媒質２３を通過して増幅した光は、再び偏光子５で反射して、１往復する。この後、偏光回転手段６の偏光回転により、１往復した入射光３１は、共振器内に閉じ込められ、周回光３２となり、周回を重ねるたびに次々と増幅され、最終的には大きなエネルギーを固体レーザ媒質２３、２４から抽出して、出力光３３が得られる。

このように、固体レーザ媒質２３と固体レーザ媒質２４の間に１／２波長板１０を配置して、周回光３２の偏光方向を回転させるように構成したため、固体レーザ媒質２３と固体レーザ媒質２４の結晶軸、または、光学軸を同一方向に配置した場合でも、固体レーザ媒質２３と固体レーザ媒質２４で周回光３２が受ける利得ピーク波長と利得帯域は、それぞれ、異なる。このため、共振器を１周回した際に受ける合計の利得は平坦にすることができるため、共振器を多数回周回する際に発生する波長帯域の狭窄化を抑制し、広帯域の出力光３３を得ることができる。このため、時間的に短い超短パルス光が得られ、エネルギーが高く、かつ、ピークパワーの大きい超短パルス光が得られるなどの特徴がある。さらに、本構成で用いる複数個の固体レーザ媒質２３、２４は、同一材料で、同一軸方向に設置が可能であるため、固体レーザ媒質２３、２４を励起し利得を与える励起モジュールの製作が１種類でよく、より簡便に再生増幅器を構成できるなどの特徴がある。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る再生増幅器について図４を参照しながら説明する。図４は、この発明の実施の形態３に係る再生増幅器の構成を示す図である。なお、特に説明を行わない個所については、上記の実施の形態１と同様である。

図４において、この実施の形態３に係る再生増幅器１では、共振器内に異方性の固体レーザ媒質２５を配置する。また、共振器の光軸上で固体レーザ媒質２５と反射鏡４の間に１／４波長板（偏光方向回転素子）１１を配置する。さらに、固体レーザ媒質２５から偏光子５へ向かう共振器の光軸に同軸で、固体レーザ媒質２５から偏光子５へ向かう光が偏光子５を通過した位置に反射鏡４と光学的に対向して反射鏡（第３の反射鏡）１２を配置する。

図４紙面に平行な偏光の入射光３１は、偏光子５を通過して共振器内に入射する。共振器内に入射した入射光３１は、反射鏡３で反射されて、偏光回転手段６と１／４波長板７を往復通過して偏光方向が回転し、偏光子５で反射する図４紙面鉛直方向の偏光方向となる。偏光子５で反射した光は、固体レーザ媒質２５を通過することで光出力が増幅される。次に、１／４波長板１１を通過し、反射鏡４で反射して再び１／４波長板１１を通過する。１／４波長板を往復で２回通過するために、偏光方向は９０°回転し、図４紙面平行な方向の偏光となる。再び、固体レーザ媒質２５に入射する光の偏光方向は、偏光子５側から固体レーザ媒質２５に入射する光と直交しているため、固体レーザ媒質２５で受ける増幅は、利得ピーク波長が異なる２つの利得の重ね合わせになるため、合計の利得は平坦にすることができる。固体レーザ媒質２５を通過した光は、偏光子５を通過する方向の偏光であるため、偏光子５を通過して、反射鏡４と光学的に対向して配置された反射鏡１２で反射されて、再び偏光子５を通過して、再び固体レーザ媒質２５側に進む。固体レーザ媒質２５を通過した光は、反射鏡４で反射されて１／４波長板１１を往復通過して偏光方向を９０°回転し、図４紙面鉛直方向の偏光となり、固体レーザ媒質２５を通過する。さらに、偏光子５では反射されるため、共振器内を１周回できる。この後、偏光回転手段６の偏光回転により１周回した入射光３１は、共振器内に閉じ込められ、周回光３２となり、周回を重ねるたびに次々と増幅され、最終的には大きなエネルギーを固体レーザ媒質から抽出して、出力光３３が得られる。

このように構成したため、共振器内に配置する固体レーザ媒質２５が１つの場合でも、固体レーザ媒質２５を通過する偏光方向を往復で回転させることができるので、周回光３２が受ける利得ピーク波長と利得帯域を異方性の固体レーザ媒質２５の２つの軸に合わせることができる。このため、共振器を１周回した際に受ける合計の利得は、平坦にすることができるため、共振器を多数回周回する際に発生する波長帯域の狭窄化を抑制し、広帯域の出力光３３を得ることができる。このため、時間的に短い超短パルス光が得られ、エネルギーが高く、かつ、ピークパワーの大きい超短パルス光が得られるなどの特徴がある。さらに、本構成で用いる固体レーザ媒質２５は、最低１個で構成可能なため、より簡便に再生増幅器を構成できるなどの特徴がある。

なお、１／４波長板１１を用いる代わりに、９０°の回転角を持つファラデーローテータを用いても同様の効果がある。さらには、１／４波長板１１を用いる代わりに、４５°の回転角を持つファラデーローテータと、偏光方向が４５°回転する軸方位に配置した１／２波長板を用いても同様の効果がある。

実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係る再生増幅器について図５を参照しながら説明する。図５は、この発明の実施の形態４に係る再生増幅器の構成を示す図である。なお、特に説明を行わない個所については、上記の実施の形態１と同様である。

図５において、この実施の形態４に係る再生増幅器１では、共振器内に異方性の固体レーザ媒質２５を配置する。また、共振器の光軸上で固体レーザ媒質２５と反射鏡４の間に１／４波長板（第１の偏光方向回転素子）１１を配置する。さらに、固体レーザ媒質２５から偏光子５へ向かう共振器の光軸に同軸で、固体レーザ媒質２５と偏光子５の間に４５°の回転角を持つファラデーローテータ１３と１／２波長板１４を配置する。なお、ファラデーローテータ１３及び１／２波長板１４は、第２の偏光方向回転素子に相当する。

図５紙面に平行な偏光の入射光３１は、偏光子５を通過して共振器内に入射する。共振器内に入射した入射光３１は、反射鏡３で反射されて、偏光回転手段６と１／４波長板７を往復通過して偏光方向が回転し、偏光子５で反射する図５紙面鉛直方向の偏光方向となる。偏光子５で反射した光は、ファラデーローテータ１３と１／２波長板１４を通過する。１／２波長板１４では、＋４５°の偏光回転するように１／２波長板１４の軸方位を設定しておくことで、ファラデーローテータ１３と１／２波長板１４を通過した光は、合計で９０°偏光が回転する。このため、固体レーザ媒質２５を通過する偏光方向は、図５紙面に平行な方向であり、その後、１／４波長板１１と反射鏡４により、偏光方向をさらに９０°回転され、再び固体レーザ媒質２５に入射する。このため、復路での偏光方向は、往路と９０°直交した図５紙面に鉛直な偏光となる。このため、固体レーザ媒質２５で受ける増幅は、利得ピーク波長が異なる２つの利得の重ね合わせになるため、合計の利得は平坦にすることができる。

固体レーザ媒質２５を通過した光は、再び、１／２波長板１４とファラデーローテータ１３を通過する。ここで、ファラデーローテータ１３は、非可逆な素子であるため、偏光子５から固体レーザ媒質２５へ進む光の偏光方向が１／２波長板１４と合わせて合計で９０°回転する場合は、固体レーザ媒質２５から偏光子５へ進む光の偏光方向の回転は発生せずに通過する。このため、図５紙面に鉛直な偏光のまめ通過するため、偏光子５で反射して１往復することができる。この後、偏光回転手段６の偏光回転により１周回した入射光３１は、共振器内に閉じ込められ、周回光３２となり、周回を重ねるたびに次々と増幅され、最終的には大きなエネルギーを固体レーザ媒質から抽出して、出力光３３が得られる。

また、偏光子５から固体レーザ媒質２５へ進む光に対して、１／２波長板１４の偏光回転が−４５°となるように、１／２波長板１４の軸方位を設定しておいてもよい。この場合、偏光子５から固体レーザ媒質２５へ進む光は、１／２波長板１４とファラデーローテータ１３を通過することで、合計の偏光回転が０°となり、図５紙面に鉛直な偏光で固体レーザ媒質２５を通過する。反射鏡４で反射され、１／４波長板１１を往復で通過した光の偏光方向は、９０°回転し、復路で図５紙面に平行な方向で固体レーザ媒質２５を通過して、さらに、１／２波長板１４とファラデーローテータ１３を通過する。ここで、ファラデーローテータ１３は、非可逆な素子であるため、偏光子５から固体レーザ媒質２５へ進む光の偏光方向が１／２波長板１４と合わせて偏光回転が無い場合は、固体レーザ媒質２５から偏光子５へ進む光の偏光は、−９０°回転するため、通過後の偏光方向は、図５紙面に鉛直な偏光となり、偏光子５で反射され周回が可能である。このため、同様の特徴が得られる。

なお、４５°の回転角を持つファラデーローテータ１３と、１／２波長板１４を用いる代わりに、９０°の回転角を持つファラデーローテータを用いても同様の効果がある。

実施の形態５．
この発明の実施の形態５に係る再生増幅器について図６を参照しながら説明する。図６は、この発明の実施の形態５に係る再生増幅器の構成を示す図である。なお、特に説明を行わない個所については、上記の実施の形態１と同様である。

図６において、この実施の形態５に係る再生増幅器１では、共振器内に固体レーザ媒質２６（第１及び第２の固体レーザ媒質）を配置する。固体レーザ媒質２６は、等方性の固体レーザ媒質、または、異方性の固体レーザ媒質を組み合わせて１つのチップに整形した複合の固体レーザ媒質である。組み合わせる材料として、利得のピーク波長が異なるレーザ媒質、または、結晶軸方位であり、合計の利得を平坦にすることができる。このため、共振器を１周回した際に受ける合計の利得は、平坦にすることができるため、共振器を多数回周回する際に発生する波長帯域の狭窄化を抑制し、広帯域の出力光３３を得ることができる。このため、時間的に短い超短パルス光が得られ、エネルギーが高く、かつ、ピークパワーの大きい超短パルス光が得られるなどの特徴がある。

固体レーザ媒質２６は、異なる固体レーザ媒質、または、異なる結晶軸方位に配置した固体レーザ媒質をそれぞれ光学的に一体とすることが望ましい。例えば、拡散接合により一体とすることができる。また、光学的に透明な接着剤により接合することも可能である。さらには、セラミックの製作手法を用いて、一体にすることもできる。１つのチップに整形された複合の固体レーザ媒質２６を用いているため、固体レーザ媒質２６を励起し利得を与える励起モジュールの製作が１種類でよく、より簡便に再生増幅器を構成できるなどの特徴がある。

実施の形態６．
この発明の実施の形態６に係るモードロックレーザについて図７を参照しながら説明する。図７は、この発明の実施の形態６に係るモードロックレーザの構成を示す図である。なお、特に説明を行わない個所については、上記の実施の形態１〜５と同様である。

図７において、この実施の形態６に係るモードロックレーザ５０は、光学的に対向して配置された出力鏡５１と反射鏡５２により構成される共振器の同軸上に、かつ上記共振器内に、分散補償手段５３と、固体レーザ媒質２１と、固体レーザ媒質２２と、モードロック手段５４とが設けられている。なお、共振光３５は、上記共振器内を周回する。出力光３６は、出力鏡５１から取り出される。

モードロックレーザ５０は、短パルス光のレーザ発振器であり、受動モードロックレーザと能動モードロックレーザに分けられる。受動モードロックレーザでは、モードロック手段５４として、例えば、過飽和吸収体などを用いて受動的にモードロックレーザを発生させる。一方、能動モードロックレーザでは、モードロック手段５４として、例えば、電圧印可により制御可能な音響光学素子などを用いて、能動的に制御を行い、モードロックレーザを発生させる。いずれにせよ、モードロック手段５４により広帯域な波長領域で位相の揃ったレーザ光が得られるので、超短パルスが得られるものである。

また、一般に、モードロックレーザ５０では、共振器内に分散補償手段５３を配置する。分散補償手段５３は、例えば、プリズムペアやグレーティングなどを用いる。分散補償手段５３により、共振器内の光学部品の屈折率や、反射、透過特性の波長依存性の補償を行うため、波長間の位相をより広帯域に高精度に揃えることができるので、より短パルスの出力光３６が得られるなどの特徴がある。

このような、モードロックレーザ５０において、利得を持つレーザ媒質が発生させる自然放出光が共振器内で複数回周回して光出力を増大させ、その一部が周回毎に出力鏡５１から出力光３６として取り出される。出力鏡５１は、部分反射鏡であり、出力鏡５１に入射した共振光３５の一部を透過させ、出力光３６となり、一部を反射させ、共振光３５として共振器内にもどる。出力鏡５１で一部が透過するため、出力鏡５１で反射した共振光３５の出力は減少するが、共振器を１周回する際に通過する固体レーザ媒質２１、２２で増幅されるため、各周回で一定の出力光３６を得ることができる。このように共振光３５の一部が反射して周回する場合、平均的には多数回の周回をしていると見なすことができ、固体レーザ媒質２１、２２を複数回通過した後、出力光３６として取り出されるとみなせる。ここで、固体レーザ媒質２１、２２の利得が小さく、出力鏡５１の反射率が高い場合には、平均的にはより多数回の周回をしていると見なすことができ、利得が小さく、出力鏡５１の反射率が低い場合には、周回数は少ないものと見なすことができる。

Ｙｂ系の固体レーザ媒質の場合には、一般的には発生する利得は小さいため、モードロックレーザを構成した場合の見かけの周回数は多い。このため、固体レーザ媒質のもつ利得帯域幅に比べ、出力光３６の波長帯域は、利得狭窄化の影響により狭いものとなる。

ここで、この実施の形態６によれば、共振器内に、固体レーザ媒質２１と、利得ピーク波長の異なる固体レーザ媒質２２を配置したため、共振器を１周回した際の合計の利得は、広帯域で平坦なものとなる．このため、共振器内で増幅される共振光３５の波長帯域の狭窄化は抑制され、波長帯域の広い出力光３６が得られる。

このように、モードロックレーザ５０内に、利得ピークの異なる固体レーザ媒質２１、２２を配置したため、平坦な合計の利得が得られ、多数回の周回による波長帯域の狭窄化は抑制され、波長幅が広い出力光３６が得られる。このため、時間的に短い超短パルス光が得られ、エネルギーが高く、かつ、ピークパワーの大きい超短パルス光が得られるなどの特徴がある。

この発明の実施の形態１に係る再生増幅器の構成を示す図である。この発明の実施の形態１に係る再生増幅器の固体レーザ媒質の増幅利得の波長依存性の一例を示す図である。この発明の実施の形態２に係る再生増幅器の構成を示す図である。この発明の実施の形態３に係る再生増幅器の構成を示す図である。この発明の実施の形態４に係る再生増幅器の構成を示す図である。この発明の実施の形態５に係る再生増幅器の構成を示す図である。この発明の実施の形態６に係るモードロックレーザの構成を示す図である。固体レーザ媒質（Ｙｂ：ＫＹＷ）を用いた再生増幅器の出力光波長の周回数依存性の計算結果の一例を示す図である。

符号の説明

１再生増幅器、３反射鏡、４反射鏡、５偏光子、６偏光回転手段、７１／４波長板、８偏光スイッチ、１０１／２波長板、１１１／４波長板、１２反射鏡、１３ファラデーローテータ、１４１／２波長板、２１固体レーザ媒質、２２固体レーザ媒質、２３固体レーザ媒質、２４固体レーザ媒質、２５固体レーザ媒質、２６固体レーザ媒質、５０モードロックレーザ、５１出力鏡、５２反射鏡、５３分散補償手段、５４モードロック手段。

Claims

光学的に対向して配置された第１及び第２の反射鏡から共振器を構成する再生増幅器であって、
前記第１及び第２の反射鏡の間で前記共振器の光軸上に配置され、利得を発生し、入射した光を増幅する第１及び第２の異方性の固体レーザ媒質と、
前記第１の反射鏡及び前記第１の異方性の固体レーザ媒質の間で前記共振器の光軸上に配置された偏光子と、
前記第１の反射鏡及び前記偏光子の間で前記共振器の光軸上に配置され、電圧印可により偏光方向の制御を行う偏光スイッチとを備え、
前記第１及び第２の異方性の固体レーザ媒質の結晶軸又は光学軸をそれぞれ異なる方向にとって配置し、
前記第１及び第２の異方性の固体レーザ媒質がそれぞれ発生するピーク波長が異なる増幅利得を組合せた波長依存性の平坦な増幅利得により、前記偏光子から入射した光を増幅する
ことを特徴とする再生増幅器。
光学的に対向して配置された第１及び第２の反射鏡から共振器を構成する再生増幅器であって、
前記第１及び第２の反射鏡の間で前記共振器の光軸上に配置され、利得を発生し、入射した光を増幅する第１及び第２の異方性の固体レーザ媒質と、
前記第１の反射鏡及び前記第１の異方性の固体レーザ媒質の間で前記共振器の光軸上に配置された偏光子と、
前記第１の反射鏡及び前記偏光子の間で前記共振器の光軸上に配置され、電圧印可により偏光方向の制御を行う偏光スイッチと、
前記第１及び第２の異方性の固体レーザ媒質の間で前記共振器の光軸上に配置され、入射した光の偏光方向を回転させる１／２波長板とを備え、
前記第１及び第２の異方性の固体レーザ媒質がそれぞれ発生するピーク波長が異なる増幅利得を組合せた波長依存性の平坦な増幅利得により、前記偏光子から入射した光を増幅する
ことを特徴とする再生増幅器。
光学的に対向して配置された第１及び第２の反射鏡から共振器を構成する再生増幅器であって、
前記第１及び第２の反射鏡の間で前記共振器の光軸上に配置され、利得を発生し、入射した光を増幅する異方性の固体レーザ媒質と、
前記第１の反射鏡及び前記固体レーザ媒質の間で前記共振器の光軸上に配置された偏光子と、
前記第１の反射鏡及び前記偏光子の間で前記共振器の光軸上に配置され、電圧印可により偏光方向の制御を行う偏光スイッチと、
前記第２の反射鏡及び前記固体レーザ媒質の間で前記共振器の光軸上に配置され、入射した光の偏光方向を回転させる偏光方向回転素子と、
前記固体レーザ媒質から前記偏光子へ向かう光が前記偏光子を通過した位置で前記第２の反射鏡と光学的に対向して配置された第３の反射鏡とを備え、
前記異方性の固体レーザ媒質の軸方位に対する増幅光の偏光方向を変えることで、前記異方性の固体レーザ媒質が発生するピーク波長が異なる複数の増幅利得を重ね合わせた波長依存性の平坦な増幅利得により、前記偏光子から入射した光を増幅する
ことを特徴とする再生増幅器。
光学的に対向して配置された第１及び第２の反射鏡から共振器を構成する再生増幅器であって、
前記第１及び第２の反射鏡の間で前記共振器の光軸上に配置され、利得を発生し、入射した光を増幅する異方性の固体レーザ媒質と、
前記第１の反射鏡及び前記固体レーザ媒質の間で前記共振器の光軸上に配置された偏光子と、
前記第１の反射鏡及び前記偏光子の間で前記共振器の光軸上に配置され、電圧印可により偏光方向の制御を行う偏光スイッチと、
前記第２の反射鏡及び前記固体レーザ媒質の間で前記共振器の光軸上に配置され、入射した光の偏光方向を回転させる第１の偏光方向回転素子と、
前記偏光子及び前記固体レーザ媒質の間で前記共振器の光軸上に配置され、入射した光の偏光方向を回転させる第２の偏光方向回転素子とを備え、
前記異方性の固体レーザ媒質の軸方位に対する増幅光の偏光方向を変えることで、前記異方性の固体レーザ媒質が発生するピーク波長が異なる複数の増幅利得を重ね合わせた波長依存性の平坦な増幅利得により、前記偏光子から入射した光を増幅する
ことを特徴とする再生増幅器。
光学的に対向して配置された第１及び第２の反射鏡から共振器を構成する再生増幅器であって、
前記第１及び第２の反射鏡の間で前記共振器の光軸上に配置され、利得を発生し、入射した光を増幅する第１及び第２の異方性の固体レーザ媒質と、
前記第１の反射鏡及び前記第１の異方性の固体レーザ媒質の間で前記共振器の光軸上に配置された偏光子と、
前記第１の反射鏡及び前記偏光子の間で前記共振器の光軸上に配置され、電圧印可により偏光方向の制御を行う偏光スイッチとを備え、
前記第１及び第２の異方性の固体レーザ媒質が異なる結晶軸方位に配置されて光学的に一体とされ、それぞれ発生するピーク波長が異なる増幅利得を組合せた波長依存性の平坦な増幅利得により、前記偏光子から入射した光を増幅する
ことを特徴とする再生増幅器。
第１及び第２の異方性の固体レーザ媒質の結晶軸又は光学軸をそれぞれ異なる方向にとって配置し、
前記第１の異方性の固体レーザ媒質が発生する第１のピーク波長をもつ増幅利得と、前記第２の異方性の固体レーザ媒質が発生する第２のピーク波長をもつ増幅利得とを組合せた波長依存性の平坦な合成増幅利得により、入射した光を増幅する
ことを特徴とする利得平滑化方法。
第１及び第２の異方性の固体レーザ媒質は、同一材料で、かつ同一軸方向に配置し、
前記第１及び第２の異方性の固体レーザ媒質を結ぶ光軸上に配置された１／２波長板により、光の偏光方向を回転させ、
前記第１の異方性の固体レーザ媒質が発生する第１のピーク波長をもつ増幅利得と、前記第２の異方性の固体レーザ媒質が発生する第２のピーク波長をもつ増幅利得とを組合せた波長依存性の平坦な合成増幅利得により、入射した光を増幅する
ことを特徴とする利得平滑化方法。
偏光方向回転素子により単一の異方性の固体レーザ媒質の軸方位に対する増幅光の偏光方向を変えることで、ピーク波長が異なる複数の増幅利得を得て、
前記単一の異方性の固体レーザ媒質が発生するピーク波長が異なる複数の増幅利得を重ね合わせた波長依存性の平坦な合成増幅利得により、入射した光を増幅する
ことを特徴とする利得平滑化方法。
第１及び第２の異方性の固体レーザ媒質が異なる結晶軸方位に配置されて光学的に一体とされ、
前記第１の異方性の固体レーザ媒質が発生する第１のピーク波長をもつ増幅利得と、前記第２の異方性の固体レーザ媒質が発生する第２のピーク波長をもつ増幅利得とを組合せた波長依存性の平坦な合成増幅利得により、入射した光を増幅する
ことを特徴とする利得平滑化方法。