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JP2008028379A - モードロックレーザ装置 - Google Patents

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昇吾 山添
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Abstract

【課題】モードロックレーザ装置を、小型で簡素な構成でかつ出力安定性の高いものとする。
【解決手段】共振器５を直線型共振器構造とし、共振器５内において発振光７のビームウエストは１つだけ形成するものとし、モード同期素子15上における発振光７の平均ビーム直径を150μｍ以下、固体レーザ媒質13中における発振光７の平均ビーム直径を200μｍ以下とする。
【選択図】図１

Description

本発明はモードロックレーザ装置に関し、特にファブリペロー型共振器内に固体レーザ媒質とモード同期素子を備えたモードロックレーザ装置に関するものである。
従来、短いパルスの光パルス列を連続発生させる技術としては、共振器内に配置された固体レーザ媒質を半導体レーザなどで励起し、発振している多くの縦モードの位相を同期させるモード同期方式がとられる。モード同期方式には、共振器内に光変調器を挿入して損失変調をかける能動方式と、入射光強度に対して吸収係数が非線形に変化する可飽和吸収体を共振器内に挿入して受動的にモード同期をとる受動方式などがある。可飽和吸収体を用いた受動方式のモードロックレーザ装置は、例えば、非特許文献１や特許文献１などに提案されている。
モードロックレーザ装置には、一般に、Yb(イットリビウム)やNd（ネオジウム）などの希土類が添加されてなる固体レーザ媒質が用いられる。例えば、Ybが添加された固体レーザ媒質を用いたレーザ装置の発振閾値PthはAppl.Opt.,Vol.36,No.9,P.1867-1874,1997に記載されている下記式(1)により表すことができる。
Figure 2008028379
ここで、ωL：固体レーザ媒質中での発振光平均ビーム半径（μｍ）、ωp：固体レーザ媒質中の励起光平均ビーム半径（μｍ）、νp：励起光周波数、Ｌoss：共振器内部ロス、Ｔ：出力ミラー透過率、σ：誘導放出断面積（ｍ2）、τ：蛍光寿命（ｍｓ）、ηa：励起光吸収効率、Ｎo：Ybイオン添加量、f1：レーザ上準位局所分布確率、f2：レーザ下準位局所分布確率、ｈ：プランク定数である。
式(1)から、発振閾値を小さくするには、固体レーザ媒質中での発振光ビーム径と励起光ビーム径を小さくすれば良いことがわかる。固体レーザ媒質中の発振光ビーム径を小さくするために、一般的には、固体レーザ媒質中に発振光のビームウエストが形成されるように共振器が設計される。さらに、可飽和吸収体を用いた受動方式のモードロックレーザ装置においては、効率的にモード同期を行うために可飽和吸収体上にも発振光のビームウエストを形成する必要がある。共振器中で発振光のビームウエストを２つ形成する必要があるために、例えば、特許文献１、非特許文献１に開示されているモードロックレーザ装置は、３つ以上の凹面ミラーを使用しており、装置を構成する部品点数が多く、大型で高価格であるうえに安定性に乏しいものであった。
更に、Ybイオンが添加された固体レーザ媒質から得られる発振光はその蛍光スペクトルにおける最大ピークでは３準位系として機能するため、レーザ下準位に分布する電子が発振光を再吸収することに起因する再吸収ロスによって、レーザ発振効率が大きく低下するという問題がある。このような再吸収ロスを回避するためには、高密度励起を行うことによってレーザ上準位を電子で満たし、発振光の再吸収を抑制する必要がある。励起光として半導体レーザを用いる場合、市販の半導体レーザの出力には限界があるため、高密度励起を行うためには、固体レーザ媒質中で励起光のビーム径を小さくしてレーザ密度を高くすると共に、固体レーザ媒質中において、励起光と発振光との重なりを高めて発振効率を上げる必要がある。固体レーザ媒質中における励起光と発振光との重なりを高めるのは、固体レーザ媒質中で励起光のビーム径が発振光のビーム径よりも小さい場合、励起光が存在しない部分で再吸収ロスが大きくなりレーザ発振効率が低下し、逆に、固体レーザ媒質中で励起光のビーム径が発振光のビーム径よりも大きい場合、発振光の存在しない、つまり発振に寄与しない部分を余分に励起することになり、やはりレーザ発振効率が低下し、高密度励起が十分に達成できなくなる虞があるためである。
一方、Ybイオンを添加した固体レーザ媒質を励起可能な波長940〜980ｎｍの現在市販されている高出力半導体レーザの発光幅は小さくてもせいぜい100μｍ程度であるため、部品点数の少ないファブリペロー型共振器においては、共振器ミラーを介して固体レーザ媒質を励起する必要があり、集光レンズから固体レーザ媒質までの距離が長くなり、効率良く小さく集光するためには、複雑な励起光学系を必要とした。
なお、Ndイオンが添加された固体レーザ媒質などの４準位系のレーザ媒質も上述のYbイオン添加の固体レーザ媒質の場合と同様に、固体レーザ媒質中での発振ビーム径と励起光ビーム径を小さくし、重なりを高めることにより発振閾値を小さくできるため、複雑な共振器構造および励起光学系を備えた装置となっていた。
特表２００２−５３６８２３号公報 "Diode-pumped mode-locked Yb3+:Y2O3 ceramic laser"、オプティクスエクスプレス（OPTICS EXPRESS) 2003年１１月３日、Vol.11,No.22 P.2911-2916
従来のモードロックレーザ装置は、前述したように複数の凹面ミラー備えて構造が複雑化し、出力安定性が悪く、部品点数が多いために大型で高価格であった。また、励起効率の向上を図るために励起光学系も複雑化し更に装置を大型化していた。
上記事情に鑑みて、本発明は、小型で簡素な構成でかつ出力安定性の高いモードロックレーザ装置を提供することを目的とするものである。
本発明のモードロックレーザ装置は、ファブリペロー型共振器と、該共振器内に配置されたモード同期素子と、該共振器内に配置された固体レーザ媒質と、該固体レーザ媒質に励起光を入射させる励起手段とを備えたモードロックレーザ装置において、
前記モード同期素子中における前記発振光の平均ビーム直径は150μｍ以下、前記固体レーザ媒質中における前記発振光の平均ビーム直径は200μｍ以下となるように配置構成されていることを特徴とするものである。
なお、前記モード同期素子上における前記発振光の平均ビーム直径は100μｍ以下であることがより望ましい。
「ビーム直径」は、光の進行方向に垂直な断面の強度分布において、光強度が最大強度の１/ｅ2以上である領域で定義するものとする。この「ビーム直径」は、モード同期素子中や、固体レーザ媒質中において一様でなく変化している（例えば、入射端面、中央部、出射端面で異なる）ものであり、上記「平均ビーム直径」とは、モード同期素子や固体レーザ媒質中のビーム直径の平均値である。なお、モード同期素子が共振器の終端を構成する場合には、該モード同期素子のミラー面上でのビーム直径が150μｍ以下であればよい。
なお、本発明のモードロックレーザ装置は、前記モード同期素子と前記固体レーザ媒質とを、前記発振光のビームウエストの近傍に近接して配置することが好ましい。
本発明のモードロックレーザ装置は、ファブリペロー型共振器と、該共振器内に配置されたモード同期素子と、該共振器内に配置された固体レーザ媒質と、該固体レーザ媒質に励起光を入射させる励起手段とを備えたモードロックレーザ装置において、
前記固体レーザ媒質と前記モード同期素子とが、両者間の距離が共振器長の1/2より小さくなるように前記ビームウエスト近傍に配置されていることを特徴とするものである。
本発明のモードロックレーザ装置においては、固体レーザ媒質の蛍光スペクトルにおいてピークを示す、４準位系発振を行う発振波長を出力光とすることが望ましい。なお、「４準位発振」とは、同様の振る舞いをする「準４準位系」を含むものとする。例えば、Yb:YAGの1050ｎｍ発振などの４準位発振として振舞う波長を含む。４準位系発振の場合、レーザ媒質中における励起光のビーム径が太くなるにつれて減少する発振効率の減少率が３準位系の場合と比較して小さいため、レーザ媒質中における励起光のビーム径を３準位系ほど小さくすることなく、高い発振効率を得ることができるため、本発明のモードロックレーザ装置により適する。
前記モード同期素子は、可飽和吸収ミラーからなるものとし、前記共振器の一方の終端を兼ねるものとすることができる。
前記励起手段は、前記共振器の光軸と交差する方向から前記励起光を該共振器に入射させるものを用いることができる。この場合、前記共振器内に、前記励起光を反射し、前記発振光を透過するダイクロイックミラーを備え、前記励起手段は、前記励起光を前記ダイクロイックミラーに入射させ、該ダイクロイックミラーが、該励起光を前記固体レーザ媒質側に反射することにより、前記励起光を前記固体レーザ媒質に入射させるものとしてもよいし、前記励起手段は、前記固体レーザ媒質に対して前記励起光を直接入射させるものとしてもよい。
さらに、本発明においては、前記共振器の一方の終端を兼ねる共振器ミラーに、前記共振器全体での群速度分散が０以下となるようにするための負の群速度分散を有するコーティングが施されていることが望ましい。
また、前記共振器の両終端が、凹面ミラーと前記モード同期素子とで構成され、前記励起手段は、前記励起光を前記凹面ミラーの裏面から前記共振器の光軸に略平行に前記共振器に入射させるようにしてもよい。この場合、ファブリペロー共振器の共振器長は１ｍｍから１４ｍｍとすることが望ましい。
前記励起手段は、前記励起光を出力する半導体レーザと、前記励起光を前記固体レーザ媒質に集光させる単レンズのみからなることが望ましい。
本発明のモードロックレーザ装置は、ファブリペロー型共振器の構成であることから、多数の構成部品を要した従来の装置と比較して部品点数を少なくすることができ、小型で安価かつ安定性の高いモードロックレーザ装置とすることができる。また、モード同期素子上における発振光のビーム直径を150μｍ以下、固体レーザ媒質中における発振光のビーム直径を200μｍ以下とすることにより、実用的に十分な発振効率を達成することができる。
さらに、モード同期素子と固体レーザ媒質とをビームウエストの近傍に近接して配置すれば、モード同期素子上における発振光のビーム直径を150μｍ以下、固体レーザ媒質中における発振光のビーム直径を200μｍ以下となる構成を容易に達成することができる。
本発明の他のモードロックレーザ装置は、共振器が、両終端にのみミラーを備えた直線型共振器構造であり、共振器内において発振光のビームウエストを１つだけ形成する簡素な構成であることから、多数の構成部品を要した従来の装置と比較して部品点数を少なくすることができ、小型で安価かつ安定性の高いモードロックレーザ装置とすることができる。さらに、固体レーザ媒質とモード同期素子とを両者間の距離が共振器長の1/2より小さくなるようにビームウエスト近傍に配置することにより、固体レーザ媒質およびモード同期素子における発振光のビーム直径を、実用的に十分な発振効率を達成することができる程度の小さなものとすることができる。
モード同期素子を可飽和吸収ミラーからなる、共振器の一方の終端を兼ねるものとすれば、構成部品をさらに少なくすることができ、さらなる小型化が可能となる。
また、共振器の一方の終端を兼ねる共振器ミラーに、共振器内における群速度分散が０以下となるようにするための負の群速度分散を有するコーティングが施されていれば、共振器内にソリトンモード同期を誘起することができ、より短いパルス幅のパルス光を得ることができる。
励起手段が、励起光を凹面ミラーの裏面から共振器の光軸に略平行に共振器に入射させるものであれば、励起光と発振光との重なりを大きくすることができ、発振効率を向上させることができる。
励起手段が、半導体レーザと、単レンズのみからなる簡素な構成であれば、モードロックレーザ装置全体のさらなる小型化を図ることができる。
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態のモードロックレーザ装置１の概略構成を示す上面図である。モードロックレーザ装置１は、ファブリペロー型共振器５と、該共振器５内に備えられた固体レーザ媒質13と、モード同期素子15と、固体レーザ媒質13に励起光10を入射させる励起手段６とを備えている。ここで、モード同期素子15は可飽和吸収ミラーであり共振器５の一方の終端を構成しており、共振器５の他方の終端は凹面出力ミラー14により構成されている。共振器５内には、終端を構成する可飽和吸収ミラー15および出力ミラー14以外に発振光を反射するミラーを備えず、共振器５は直線型共振器構造である。
励起手段６は励起光10であるレーザビームを出力する半導体レーザ11と、励起光10を固体レーザ媒質13に集光させる集光レンズ12とからなる。半導体レーザ11はＣＡＮパッケージに封入されたものである。励起手段６は、共振器５の光軸Ａと交差する方向から励起光10を該共振器５に入射させるものであり、ここでは光軸Ａに対して略垂直な方向から励起光10を共振器５に入射させる構成である。共振器５内に励起光10を反射し、発振光７を透過するダイクロイックミラー16が共振器の光軸Ａに対して45°傾けて配置されており、励起手段６が、励起光10をダイクロイックミラー16に入射させ、励起光10はダイクロイックミラー16により反射されて固体レーザ媒質13に入射する。
共振器５は発振光７のビームウエストが共振器５内に（ここではモード同期素子上に）１つのみ形成されるように構成されており、固体レーザ媒質13と可飽和吸収ミラー15とは、ビームウエストの近傍に両者間の距離ｄが共振器長Ｌの1/2より小さくなるように近接して配置されている。
また、共振器長Ｌおよび凹面出力ミラー14の凹面14ａの曲率は、可飽和吸収ミラー15のミラー面15ａ上に発振光のビームウエストが形成され、このミラー面15ａ上での発振光のビーム直径Ｄ1が150μｍ以下となる範囲で設定されている。また、固体レーザ媒質13は、該固体レーザ媒質13中における発振光の平均ビーム直径Ｄ2(＝2ωL)が200μｍ以下となるように配置されている。より詳細には、ミラー面15ａ上での発振光のビーム直径Ｄ1は、10〜150μｍの範囲であり、下限値10μｍは設計の限界であり、上限の150μｍは可飽和吸収ミラーに効率的にモード同期をさせるために必要な光密度を得るための制限である。また、固体レーザ媒質13中における発振光の平均ビーム直径Ｄ2は50〜200μｍの範囲であり、下限値50μｍは本実施形態のように、共振器を凹面出力ミラーと可飽和吸収ミラーで構成し、可飽和吸収ミラーのミラー面上に発振光のビームウエストを形成する構成とした場合の設計の限界であり、200μｍを超えると発振閾値が100ｍＷを超え効率低下が否めない。
ここで、可飽和吸収ミラー15のミラー面15ａ上における発振光のビーム直径Ｄ1の上限値150μｍは以下の考察により得た。なお以下では、可飽和吸収ミラー15として半導体可飽和吸収ミラー（SESAM)を用いている。
モード同期を誘起するためには、共振器内のパルスエネルギーが下記式(2)で表わされるモード同期閾値Ｅp,cを上回る必要がある(J.Opt.Soc.Am.B,Vol.16,46-56(1999)参照)。
Figure 2008028379
上記式(2)は、固体レーザ媒質の飽和フルエンス（Ｆsat,L）、SESAMの飽和フルエンス（Ｆsat,A）および変調深さ（ΔＲ）、固体レーザ媒質中での発振光ビーム半径（ωL）、およびSESAM上での発振光ビーム半径（ωsat）の大きく5つのパラメータから構成されている。モード同期閾値Ｅp,cは、これらのパラメータを小さくすれば小さくすることができることから、これらのパラメータを小さくすることにより比較的小さな共振器内のパルスエネルギーでも安定したモード同期を得ることができる。現在知られている固体レーザ媒質の中で最も飽和フルエンス（Ｆsat,L）が小さいものはNd:YVO4(（Ｆsat,L）＝0.04J/ｃｍ2)であり、小さいモード同期閾値が得られることからモード同期固体レーザ媒質として頻繁に使われている。また現在市販されているSESAMのうち、Nd:YVO4（1064ｎｍ）対応のもので飽和フルエンス（Ｆsat,Ａ）および変調深さ（ΔＲ）が最も小さいものは、BATOP社製のＦsat,Ａ＝120μJ/ｃｍ2、ΔＲ＝0.3％のものであり、このSESAMおよびNd:YVO4を使用することにより、現状において最も小さいモード同期閾値を得ることができる。
図４のグラフは、モード同期閾値および共振器内パルスエネルギーのSESAM上発振ビーム直径依存性を示す。ここでは、固体レーザ媒質としてNd:YVO4を用い、SESAMとして上述のBATOP社製のものを用い、固体レーザ媒質がSESAMに近接して配置されて固体レーザ媒質中での発振光ビーム半径とSESAM上での発振光ビーム半径とがほぼ同じ大きさ（ωL＝ωsat）すなわち図１中のビーム直径Ｄ1＝Ｄ2として、上記式(2)に基づいてモード同期閾値のSESAM上での発振光ビーム直径依存性を求めた。また、共振器内パルスエネルギーは、下記式(3)に基づいて求めたものである。
Figure 2008028379
Ｐout：平均出力、Ｔ：出力ミラー透過率、Ｌ：共振器長、ｃ：光速度、ηslope：発振スロープ、Ｐin：励起出力、Ｐth：発振閾値、Loss：内部ロス、λp：励起波長、λＬ：発振波長、ηa：励起光吸収率、ωp：固体レーザ媒質中の励起光平均ビーム半径、ｈ：プランク定数、σ：誘導放出断面積、τ：蛍光寿命であり、各パラメータの値はＴ＝0.2％、Ｌ＝0.03ｍ、Loss＝0.6％、λp＝808ｎｍ、λＬ＝1064ｎｍ、ηa＝0.99、ωp＝25μｍ、σ＝25.4×10-19J/cm2、τ＝90μsとなっている。さらに、この計算においては励起光源として、現在市販されている半導体レーザで最も輝度の高いQuintessence Photonics Corporationの最大出力2.5Ｗ、発振波長808ｎｍ、エミッタ50μｍを使用している。
このグラフからSESAM上発振ビーム直径が150μｍ以下であるときに共振器内パルスエネルギーがモード同期閾値を上回り、モード同期をかけることが可能となることがわかった。言い換えると、上記のような共振器構造においてモード同期をかけるためには、SESAM上での発振光ビーム直径を150μｍ以下にする必要がある。ただし、実際にモジュール（製品）化を行う場合には、公差を考慮し1/3程度の余裕をもたせてSESAM上での発振光ビーム直径を100μｍ以下にすることが望ましい。
なお、図１中において、便宜上固体レーザ媒質13中における発振光の平均ビーム直径Ｄ2を固体レーザ媒質中央のビーム直径として示しているが、平均ビーム直径は固体レーザ媒質中を通過する発振光のビーム直径の平均である。
また、本実施形態においては、各構成要素11〜16はペルチェ素子17の上に固定配置されている。ただし、各要素11〜16は金属（例えば銅）のホルダーを介してペルチェ素子17の上に固定されていてもよい。このペルチェ素子17上には温度検出用のサーミスタ18が固定され、図示しない温度調節回路により、サーミスタ18の出力に基づいてペルチェ素子17が駆動され、半導体レーザ11、集光レンズ12、固体レーザ媒質13、および凹面出力ミラー14、モード同期素子15、ダイクロイックミラー16が所定の温度に保たれる。
本実施形態のモードロックレーザ装置１は、ミラーを共振器の両終端にのみ備えた構成の簡素な装置とすることができ、また、励起手段も半導体レーザと単レンズのみの構成とすることができるため、モードロックレーザ装置として小型化、安定化を達成することができる。
モードロックレーザ装置１のより具体的な構成例を説明する。固体レーザ媒質13として、Ybイオンを母材であるセラミックス媒質Y2O3（イットリア）に添加したYb：Y2O3媒質を用いる。Ybイオンを添加した固体レーザ媒質はその蛍光スペクトルで最大ピークを示す波長において３準位系として振舞うものであるが、モードロックレーザ装置１においては、最大ピークの波長より長波長側のピークであり４準位系として振舞う波長（1075ｎｍ）を出力光８として利用する。
ここで、Yb：Y2O3媒質13は、Ybイオンが10at％添加された0.65ｍｍ厚のものであり、このYb：Y2O3媒質13の両面には、波長980ｎｍの励起光10、波長1075ｎｍ帯の発振光７のいずれの光をも良好に透過するコーティングが施されている。
可飽和吸収ミラー15としては、BATOP社製の半導体可飽和吸収ミラー（以下SESAM）であり、変調深さ（modulation depth）が0.4％、飽和フルエンス（Saturation fluence）が120μJ/cm2のものを用いる。
凹面出力ミラー14のミラー面（凹面）14ａの曲率半径は30ｍｍであり、発振光７が約１％透過するコーティングが施されている。
凹面出力ミラー14とSESAM15は、凹面出力ミラー14のミラー面14ａとSESAM15のミラー面15ａ間で定義される共振器長Ｌが30ｍｍ（空気中）となるように配置されており、Yb：Y2O3媒質13はSESAM15との距離ｄが６ｍｍとなる位置に配置されている。
半導体レーザ11としては、波長980ｎｍの発光幅100μｍ、出力２Ｗのブロードエリア型を用いる。集光レンズ12は、Yb：Y2O3媒質13中での励起光のビーム直径が100μｍ程度となるものを用いる。集光レンズ12は、共振器光路をカットしないようダイクロイックミラー16に近接させ配置されており、この集光レンズ12により、励起光10は、Yb：Y2O3媒質13の厚み方向中心近傍にビームウエストがくるように集光される。
ダイクロイックミラー16は、45°入射において、波長980ｎｍの励起光10を良好に反射し、波長1075ｎｍ帯の発振光７を良好に透過するコーティングが施された１ｍｍ角の厚さ0.3ｍｍの石英板であり、Yb：Y2O3媒質13に近接して配置されている。
この構成において、SESAM15上での発振ビーム直径Ｄ1は64μｍであり、Yb：Y2O3媒質13中の平均発振ビーム直径Ｄ2は146μｍである。
本モードロックレーザ装置１においては、励起光10によって励起されYb：Y2O3媒質13から発した波長1075ｎｍ帯の光が凹面出力ミラー14とSESAM15との間で共振し、SESAM15によってモードロックされ、凹面出力ミラー14から出力光（パルスレーザ）８として出力される。上記構成のモードロックレーザ装置では、繰り返し周波数５ＧＨｚ、パルス幅1.5psec.、平均パワー350ｍＷが得られた。ここで、平均パワー＝パルスエネルギー×繰り返し周波数である。ここで得られた平均パワーは、上述の第１の実施形態とほぼ同様の構成で、レーザ媒質は共振器のほぼ中央であるSESAMから15ｍｍの位置にレーザ媒質を配置していた従来の装置における平均パワーと比較して1.5倍の効率であった。従来の装置では、レーザ媒質中の発振ビーム直径は300μｍ以上となる。励起光を出力する半導体レーザは同一のものを使用していたが、励起光を共振器に集光させるための光学系としては複雑な励起光学群を使用してレーザ媒質中での集光ビーム直径を100μｍとなるように配置していた。従来装置において、上述の実施形態と同一の励起パワーで励起した場合、平均出力は220ｍＷであった。
図５に示すモードロックレーザ装置１’のように、図１に示す装置１の凹面出力ミラー14に代えて、共振器内で生じる正の群速度分散を補償し、共振器全体での群速度分散が完全補償された状態（群速度分散＝０）、あるいは共振器内の群速度分散が負となる状態（群速度分散＜０）とする負の群速度分散を有するコーティング19が施された凹面出力ミラー14’を備えることにより、ソリトンモード同期を誘起することができ、ピコ秒以下のパルス幅を有するパルス光を得ることができる。
例えば、図５の装置１’の共振器内において正の群速度分散が生じる場合、−3000fs2の群速度分散を有するコーティング19が施された凹面出力ミラー14’を用いることによって、共振器内における全体の群速度分散−2700fs2とし、800fsのパルス幅を持ったパルスレーザ光を得ることができた。なお、負の群速度分散を有するコーティングの方法としては、例えば、特開平１１−１６８２５２号公報などに記載の分散補償の方法として従来用いられている多層膜コーティングの技術を用いることができ、R. Szipoecs他、Optics Letters, Vol.19, 201(1994)に記載されている負分散ミラーと同様の膜構成を用いることができる。
一般的にYbドープ固体レーザ媒質はＦsat,Lが大きいため、モード同期閾値が大きく、共振器長Ｌが30ｍｍと短く、共振器内パルスエネルギーが小さい状態ではモード同期がかからない。しかし、上記のように共振器内の群速度分散補償を行い、ソリトンモード同期と呼ばれる状態を形成することによって、Ybドープ固体レーザ媒質であってもNd:YVO4並にモード同期閾値を低減させることができ、30ｍｍという短い共振器長であってもモード同期をかけることができた。
なお、ダイクロイックミラー16は光軸Ａに対して45°以外の角度で配置されていてもよく、また、Yb：Y2O3媒質13とSESAM15の間に配置するよう構成することもできる。また、共振器内に偏光を制御する素子、例えばブリュースタ板が挿入されても良く、あるいは、ダイクロイックミラーに所定のコーティングを施してブリュースタ角で配置し、ダイクロイックミラーとブリュースタを兼用させてもよい。あるいは、Yb：Y2O3媒質13を光軸Ａに対してブリュースタ角傾けて配置しても良い。
上記実施形態においては凹面出力ミラー14から発振光を出力させるものとしたが、凹面ミラーには発振光を良好に反射するコーティングを施し、半導体可飽和吸収ミラーとして透過型のものと用いることにより、半導体可飽和吸収ミラー側から発振光を出力させるよう構成することもできる。また、モード同期素子としては、SESAM以外にカーモード同期素子やカーボンナノチューブを用いた可飽和吸収ミラーを用いることができる。
次に、図２を参照して、本発明の第２の実施形態のモードロックレーザ装置２を説明する。本実施形態は、第1の実施形態と基本的構成は同一であるので、同一の構成要素には同一の符号を付し詳細な説明を省略し、主として異なる点について説明する。
本実施形態のモードロックレーザ装置２は、励起手段６の配置およびダイクロイックミラー16を備えない点で第１の実施形態のモードロックレーザ装置１と異なる。
励起手段６は、励起光10を共振器軸Ａに交差する方向から共振器内に入射させ、ダイクロイックミラーを介さず直接固体レーザ媒質13に斜めに励起光10を入射させるものとなっている。このとき、固体レーザ媒質13中におけるモード整合が最適となるように励起光の入射角度と集光位置を調整する必要がある。
モードロックレーザ装置２の具体的な構成も励起手段６以外の構成要素および配置については上述のモードロックレーザ装置１の場合と同様とすることができる。このとき、励起手段６についても、同様に半導体レーザ11は、第１の実施形態と同様の波長980ｎｍの発光幅100μｍ、出力２Ｗのブロードエリア型を用い、集光レンズ12は、Yb：Y2O3媒質13中でのビーム直径が100μｍとなるものを用いればよい。
本構成においては、繰り返し周波数５GHz、パルス幅1.5psec.、平均パワー300ｍＷが得られた。
次に、図３を参照して、本発明の第３の実施形態のモードロックレーザ装置３を説明する。図３は、本発明の第３の実施形態のモードロックレーザ装置３の概略構成を示す上面図である。モードロックレーザ装置３は、ファブリペロー型共振器30、該共振器30内に備えられた固体レーザ媒質23と、モード同期素子25と、固体レーザ媒質23に励起光10を入射させる励起手段20とを備えている。ここで、モード同期素子25は透過型の可飽和吸収ミラーであり共振器30の一方の終端を構成しており、共振器30の他方の終端は凹面ミラー24により構成されている。共振器30内には、終端を構成する可飽和吸収ミラー25および出力ミラー24以外に発振光を反射するミラーを備えず、共振器30は直線型共振器構造である。
励起手段20励起光10であるレーザビームを出力する半導体レーザ21と、励起光10を固体レーザ媒質23に集光させる集光レンズ22とからなる。半導体レーザ21はＣＡＮパッケージに封入されたものである。励起手段20は、励起光10を凹面ミラー24の裏面24ｂ側から共振器30の光軸Ａに対して平行に該共振器30に入射させるものである。
共振器30は発振光７のビームウエストが共振器30内に（ここではモード同期素子上に）１つのみ形成されるように構成されている。
また、共振器長Ｌおよび凹面ミラー24の凹面24ａの曲率は、可飽和吸収ミラー25のミラー面25ａ上に発振光７のビームウエストが形成され、このミラー面15ａ上での発振光のビーム直径Ｄ1が100μｍ以下となる範囲で設定されている。特に、共振器長Ｌは１ｍｍ〜14ｍｍとする。また、固体レーザ媒質13は、該固体レーザ媒質13中における発振光の平均ビーム直径Ｄ2が200μｍ以下となるように配置されている。
また、共振器内の固体レーザ媒質23と可飽和吸収ミラー25との間には、発振光７の偏光方向Ｐ0を固体レーザ媒質23のc軸に平行とするためにブリュースタ素子26を備えている。
モードロックレーザ装置３のより具体的な構成例を説明する。固体レーザ媒質23として、Ndイオンを母材であるYVO4に添加したNd：YVO4媒質を用いる。
Nd：YVO4媒質はNdイオンが３at％添加された厚みが１ｍｍ、a軸が光軸方向と平行になるようにカットしたものであり、両面には、波長809ｎｍの励起光10、波長1064ｎｍ帯の発振光７のいずれの光をも良好に透過するコーティングが施されている。
可飽和吸収ミラー25は、透過率0.3％、変調深さ（Modulation depth）1.2％、飽和フルエンス（Saturation fluence）90μJ/cm2のものを用いる。
凹面ミラー24のミラー面（凹面）24ａの曲率半径は10ｍｍ、厚みｔは１ｍｍであり、このミラー面24ａと平面（裏面）24bの両面には励起光10を良好に透過するコーティングが施され、さらにミラー面24ａには発振光７を良好に反射するコーティングが施されている。
凹面ミラー24とSESAM25は、凹面ミラー24のミラー面24ａとSESAM25のミラー面25ａ間で定義される共振器長Ｌが9.1ｍｍ（空気中）となるように配置され、Nd：YVO4媒質23は、凹面ミラー25との間隔ｄ2が0.3ｍｍとなるように配置されている。
ブリュースタ素子26は、厚さ0.4ｍｍの石英により構成されており、Nd：YVO4媒質23とSESAM25の間に共振器軸Ａに対して角度55.4°傾けて配置されている。
半導体レーザ21としては、波長809ｎｍの発光幅100μｍ、出力２Ｗのブロードエリア型を用いる。集光レンズ22は、励起光10をNd：YVO4媒質23のc軸に平行な偏光で、ビーム直径130μｍになるようNd：YVO4媒質23中に集光するものであり、具体的には、例えば日本板硝子株式会社製のセルフォック（登録商標）レンズを用いることができる。
上記構成において、SESAM25上での発振ビーム直径Ｄ1は70μｍ、Nd：YVO4媒質23中の平均発振ビーム直径Ｄ2は168μｍである。
本モードロックレーザ装置3においては、レーザビーム10によって励起されNd：YVO4媒質23から発した波長1064ｎｍ帯の光が凹面ミラー24とSESAM25の間で共振し、SESAM25によってモードロックされ、透過型のSESAM25からパルスレーザ８として出力される。上記構成のモードロックレーザ装置では、繰り返し周波数16ＧＨｚ、パルス幅7psec.、平均パワー140ｍＷが得られた。
上述の各実施形態の装置は、ミラーを終端にのみ備えた構成であり、共振器内に発振光のビームウエストを１つのみ形成する簡素な構成の装置とすることができ、励起手段も半導体レーザと単レンズのみの構成とすることができ、小型化、安定化を達成することができる。
上記各実施形態の具体例においては、固体レーザ媒質として、Yb：Y2O3あるいはNd：YVO4を用いた例について挙げたが、NdやYbイオンが各種母材に添加されてなる、たとえば、Nd：GdVO4、Nd：YAG、Nd：glass、Yb：YAG、Yb：KY(WO4)2、Yb：KGd(WO4)2、Yb：Gd2SiO5、Yb：Y2SiO5等を始めとする各種の母材と組み合わせた固体レーザ媒質を用いることができる。また、添加するイオンもNdやYbイオンに限らず、全ての希土類イオンに適用可能である。
本発明の第１の実施形態のモードロックレーザ装置の概略構成を示す上面図 本発明の第２の実施形態のモードロックレーザ装置の概略構成を示す上面図 本発明の第３の実施形態のモードロックレーザ装置の概略構成を示す上面図 モード同期閾値の、SESAM上での発振光ビーム直径依存性を示すグラフ 本発明の第１の実施形態のモードロックレーザ装置の変形例を示す上面図
符号の説明
１、１’、２、３ モードロックレーザ装置
５ 共振器
６ 励起手段
７ 発振光
８ 出力光（パルスレーザ）
10 励起光
11 半導体レーザ
12 集光レンズ
13、23 固体レーザ媒質
14、14' 凹面出力ミラー
15、25 モード同期素子
19 コーティング
24 凹面ミラー

Claims (13)

  1. ファブリペロー型共振器と、該共振器内に配置されたモード同期素子と、該共振器内に配置された固体レーザ媒質と、該固体レーザ媒質に励起光を入射させる励起手段とを備えたモードロックレーザ装置において、
    前記共振器の両終端、前記モード同期素子および前記固体レーザ媒質が、前記モード同期素子上における前記発振光の平均ビーム直径は150μｍ以下、前記固体レーザ媒質中における前記発振光の平均ビーム直径は200μｍ以下となるように配置構成されていることを特徴とするモードロックレーザ装置。
  2. 前記モード同期素子上における前記発振光の平均ビーム直径は100μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のモードロックレーザ装置。
  3. 前記モード同期素子と前記固体レーザ媒質とが、前記発振光のビームウエストの近傍に近接して配置されていることを特徴とする請求項１または２記載のモードロックレーザ装置。
  4. ファブリペロー型共振器と、該共振器内に配置されたモード同期素子と、該共振器内に配置された固体レーザ媒質と、該固体レーザ媒質に励起光を入射させる励起手段とを備えたモードロックレーザ装置において、
    前記固体レーザ媒質と前記モード同期素子とが、両者間の距離が共振器長の1/2より小さくなるように前記発振光のビームウエスト近傍に配置されていることを特徴とするモードロックレーザ装置。
  5. 前記固体レーザ媒質の蛍光スペクトルにおいてピークを示す、４準位系発振を行う発振波長を出力光とすることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載のモードロックレーザ装置。
  6. 前記モード同期素子が可飽和吸収ミラーからなり、前記共振器の一方の終端を兼ねていることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載のモードロックレーザ装置。
  7. 前記励起手段が、前記共振器の光軸と交差する方向から前記励起光を該共振器に入射させるものであることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載のモードロックレーザ装置。
  8. 前記共振器内に、前記励起光を反射し、前記発振光を透過するダイクロイックミラーを備え、
    前記励起手段が、前記励起光を前記ダイクロイックミラーに入射させ、該ダイクロイックミラーが、該励起光を前記固体レーザ媒質側に反射することにより、前記励起光を前記固体レーザ媒質に入射させるものであることを特徴とする請求項７記載のモードロックレーザ装置。
  9. 前記励起手段が、前記固体レーザ媒質に対して前記励起光を直接入射させるものであることを特徴とする請求項７記載のモードロックレーザ装置。
  10. 前記共振器の一方の終端を兼ねる共振器ミラーに、前記共振器全体での群速度分散が０以下となるようにするための負の群速度分散を有するコーティングが施されていることを特徴とする請求項１から９いずれか１項記載のモードロックレーザ装置。
  11. 前記共振器の両終端が、凹面ミラーと前記モード同期素子とで構成され、
    前記励起手段が、前記励起光を前記凹面ミラーの裏面から前記共振器の光軸に略平行に前記共振器に入射させるものであることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載のモードロックレーザ装置。
  12. 前記共振器の共振器長が１ｍｍから１４ｍｍであることを特徴とする請求項１１記載のモードロックレーザ装置。
  13. 前記励起手段が、前記励起光を出力する半導体レーザと、前記励起光を前記固体レーザ媒質に集光させる単レンズのみからなることを特徴とする請求項１から１２いずれか１項記載のモードロックレーザ装置。
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