JP2000221555A

JP2000221555A - レーザ装置

Info

Publication number: JP2000221555A
Application number: JP11022397A
Authority: JP
Inventors: Takayoshi Kobayashi; 孝嘉小林; Akira Shirakawa; 晃白川; Isao Sakane; 勲坂根; Masaomi Kosaka; 正臣高坂
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1999-01-29
Filing date: 1999-01-29
Publication date: 2000-08-11

Abstract

(57)【要約】【課題】５ｆｓ以下の広帯域レーザ光を出射可能なレ
ーザ装置を提供する。【解決手段】本レーザ装置は、レーザ光源１０１から出
力された信号光を圧縮する前段光学系４００ａ，４００
ｂと、信号光を励起光の入力に応じて増幅する非線形光
学結晶１１２と、増幅された信号光を圧縮する後段光学
系１００ａ，１００ｂとを備え、前段及び後段光学系は
入力される光を反射する特殊な多層膜ミラー１００ａ，
１００ｂ，４００ａ，４００ｂを備えている。このレー
ザ装置によれば、レーザ光源から出力された信号光を圧
縮する前段光学系を、増幅された信号光を圧縮する後段
光学系に加えて備えているので、このような信号光のチ
ャープを補償し、パルス幅を５ｆｓ以下とすることがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光のパルス
圧縮を行う多層膜ミラーを備えたレーザ装置に関する。

【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（Ｏ
ＰＡ）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（ＮＯＰＡ）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４０００
ｃｍ−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５
７３４５０３号に記載のミラーは波長７２０ｎｍ〜８９
０ｎｍ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ｆ
ｓオーダのパルス幅に圧縮することは困難である。

【０００７】そこで、本願発明者らは、光パルス圧縮を
効率的に行うことが可能な多層膜ミラーを開発した。こ
のような多層膜ミラーを用いれば、広帯域の光を出力す
るレーザ装置において、超短パルスを出射することが可
能となる。しかしながら、５ｆｓ以下の更に超短パルス
を生成するためには、更なる改良が必要であった。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
ミラーを用いて、５ｆｓ以下のパルス光を出射可能なレ
ーザ装置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、本発明のレーザ装置は、レーザ光源から出力された
信号光を圧縮する前段光学系と、信号光を励起光の入力
に応じて増幅する非線形光学結晶と、増幅された信号光
を圧縮する後段光学系とを備え、前段及び後段光学系は
入力される光を反射する多層膜ミラーを備え、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
してなり、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、且つ、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
ていることを特徴とする。

【０００９】こ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】しかしながら、非線形光学結晶に入力され
る前の信号光は自己位相変調等によって発生しているた
め、信号光自体が非線形光学結晶への入力前に既にチャ
ープを有している。このチャープを補償し、信号光のパ
ルス幅が、励起光と一致するか、又は励起光よりも短け
れば、増幅されるスペクトル幅は飛躍的に増大し、圧縮
した結果のパルス幅は５ｆｓ以下とすることができる。

【００１１】本発明のレーザ装置によれば、レーザ光源
から出力された信号光を圧縮する前段光学系を、増幅さ
れた信号光を圧縮する後段光学系に加えて備えているの
で、このような信号光のチャープを補償し、パルス幅を
５ｆｓ以下とすることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、実施の形態に係るレーザ装
置について説明する。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。まず、この装置に用いられる多層膜ミラーについ
て説明する。

【００１３】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、ＴｉＯ
２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、１．４
６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ｎＡＩＲ＝１．０の空気と最外膜４０との
間の界面を構成する。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】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〜７
５０ｎｍにおいて、傾き０．０５〜０．１５（ｆｓ／ｎ
ｍ）で群遅延が単調に増加している。また、波長５００
ｎｍにおける群遅延は０〜５ｆｓの範囲にあり、波長６
００ｎｍ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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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〜８
００ｎｍにおいて、傾き０．０５〜０．１５（ｆｓ／ｎ
ｍ）で群遅延が単調に増加している。また、波長５００
ｎｍにおける群遅延は０〜５ｆｓの範囲にあり、波長６
００ｎｍ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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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〜８
００ｎｍにおいて、傾き０．０５〜０．１５（ｆｓ／ｎ
ｍ）で群遅延が単調に増加している。また、波長５００
ｎｍにおける群遅延は０〜５ｆｓの範囲にあり、波長６
００ｎｍ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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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５０
０ｎｍ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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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５
００ｎｍ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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】なお、図１８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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】Ｒ及びΦは、ｋ層目の複素振幅反射率γｋ
＋１ｋ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γｋ＋１ｋ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ｎｊ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
θｊ、ｊ番目の膜の膜の厚みをｄｊ、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、θｊを与えるｃｏｓθｊ
は式（７）で与えられる。なお、ｎａｉｒは入射媒体の
屈折率であって、本例では空気であるためｎａｉｒ≒
１．０であり、θａｉｒ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。

【００３６】図１３は、上記いずれかの多層膜ミラーを
用いて広帯域レーザ光を出力するレーザ装置のシステム
構成図である。このレーザ装置は、２対の上記多層膜ミ
ラー１００ａ，１００ｂ、及び４００ａ，４００ｂを備
えており、チャープ補償を行っている。なお、多層膜ミ
ラー４００ａ，４００ｂの構造は多層膜ミラー１００
ａ，１００ｂの構造と同一であるが、これらは必ずしも
同一である必要はなく、利用形態に応じて適宜その構造
を設定することができる。

【００３７】このレーザ装置は、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４００μ
Ｊ、繰り返し周波数１ｋＨｚを有する。

【００３８】このレーザ光は、ビームスプリッタ又はビ
ームサンプラ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（又
は同等の性能を有する石英基板等）１０４、ミラー１０
５、ミラー１０６、多層膜ミラー対４００ａ，４００
ｂ、ミラー１０７、光学フィルタ１０８、ミラー１０
９、ミラー１１１を介し、信号光として非線形光学結晶
（β−ＢａＢ₂Ｏ₄：ＢＢＯ）（又は同等の性能を有する
ＬｉＢ３Ｏ４：ＬＢＯ等）１１２に入射される。なお、
サファイア基板１０４は厚さ２ｍｍのものを用い、ＢＢ
Ｏは厚さ１ｍｍ、カット角３０°のものを用いる。

【００３９】信号光はサファイア基板等に強度の高いレ
ーザ光が入射した時に起こる自己収束効果と自己位相変
調によって発生する。発生する波長は、入射するレーザ
光の強度に依存し、可視から赤外までの光が発生する。
このうち可視光のみが光学フィルタ１０８によって取り
出され、非線形光学結晶１１２に入射する。すなわち、
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。光学フ
ィルタ１０８は、７５０ｎｍ以上の成分の透過率が略０
％に設定された誘電体多層膜を厚さ１７５μｍのＢＫ７
基板にコーティングしたものである。

【００４０】多層膜ミラー４００ａ，４００ｂは、互い
に平行に配置されており、多層膜ミラー４００ａ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４００ａ，４００ｂによって数回反射され
た後、これから出射される。多層膜ミラー対４００ａ，
４００ｂは、この信号光の持つチャープを補償するもの
であり、これによって励起光と時間的に重なる信号光の
スペクトル領域を大きくし、ひいては、より短い時間の
光パルスを発生させる。

【００４１】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（ＬＢＯ又は同等の性能を
有するＢＢＯ等）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７９
０ｎｍ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３
９５ｎｍ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。

【００４２】励起光の照射によって非線形光学結晶１１
２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〜７００
ｎｍの波長帯域を有するように、光路長調整用ミラー１
０７の位置決めが行われている。

【００４３】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１１
１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）１１６、ミラー１１７を介してプリズム
対３００ａ，３００ｂに入射する。

【００４４】増幅された信号光（波長５５０ｎｍ〜７０
０ｎｍ）は、この時点までの経路内に配置された分散媒
質等の通過によって、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、増
幅後の補償された信号光はミラー１１７の上方を通過し
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〜７００
ｎｍ）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。

【００４５】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５５
０ｎｍ〜７００ｎｍであって、パルス幅５ｆｓ以下、光
強度５μＪ以上である。

【００４６】なお、多層膜ミラー対４００ａ，４００ｂ
は入力される信号光を圧縮する前段光学系として機能
し、プリズム対３００ａ，３００ｂ及び多層膜ミラー対
１００ａ，１００ｂは非線形光学結晶１１２によって増
幅された信号光を圧縮する後段光学系として機能する。

【００４７】以上、説明したように、上記実施の形態に
係るレーザ装置は、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１
００ａ，１００ｂによる反射光帯域（５００ｎｍ〜７７
０ｎｍ）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Ｂ
Ｓ，１０２〜１１６，２０１〜２０８，３００ａ，３０
０ｂ，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。

【００４８】図１４は、図１３の装置において、信号増
幅の構成を変更したレーザ装置のシステム構成図であ
る。すなわち、上記では信号光は２度増幅されたが、本
レーザのシステムにおいては、１度増幅されるのみであ
る。なお、上記装置と同一の構成については説明を省略
する。

【００４９】本装置の構成は、信号光及び励起光が非線
形光学結晶１１２に最初に入射するまでは、上記と同一
であるが、増幅された信号光は、この後、ミラー１１３
ａによって反射された後、ミラー１１３ｃに入射し、ペ
リスコープ１１６及びミラー１１７を介してプリズム対
３００ａ，３００ｂに入射する。プリズム対３００ａ，
３００ｂへの入射後の信号光の挙動は、多層膜ミラー対
１００ａ，１００ｂによる反射回数を除いて上記装置と
同一である。なお、本装置は、ミラー１１０、１１４、
１１５を備えていない。また、本装置の場合において
も、出射光の波長は５５０ｎｍ〜７００ｎｍであって、
パルス幅５ｆｓ以下、光強度３μＪ以上である。

【００５０】図１５は、パルス圧縮用の前段光学系４０
０ａ，４００ｂを用いない場合の前者の装置内の光の波
長（ｎｍ）と群遅延ＧＤ（ｆｓ）の関係を示すグラフで
ある。グラフ中のｔｏｔＧＤは圧縮器総群遅延、すなわ
ちプリズム対３００ａ，３００ｂとミラー対１００ａ，
１００ｂの総計を示し、ｐｒＧＤはプリズム対３００
ａ，３００ｂによる群遅延を示し、ｃｍＧＤは多層膜ミ
ラー対１００ａ，１００ｂの４往復時の群遅延を示し、
ａｉｒＧＤは光路中（２ｍ）の空気による群遅延を示
し、ＢＫ７ＧＤはビームスプリッタによる群遅延を示
し、−ｍｅａｓｕｒｅｄは出射光の圧縮前の群遅延の測
定値に−１を掛けた値を示す。プリズム３００ａ，３０
０ｂは１ｍ離隔させて６．７ｍｍのプリズム内長を設
け、多層膜ミラー対４００ａ，４００ｂでそれぞれ４回
反射させた場合に最も良い結果が得られたが、この場合
においても、出射光の帯域は１２０ｎｍに制限され、広
帯域の光を５ｆｓ以下に圧縮することができない。

【００５１】この原因としては、ＮＯＰＡにおいて、信
号光となる白色種光はサファイア基板に入力される基本
波の自己位相変調によって発生しているという点が考え
られる。すなわち、この時の波長は基本波強度の時間変
化に依存するため、種光の発生時において既にチャープ
が生じている。サファイア自身も分散媒体として機能す
るため、サファイア基板を通過することによって白色種
光のチャープは拡大している。この結果、ＯＰＡの励起
光であるチタンサファイアレーザの第２高調波よりも、
そのパルス幅が大きくなるので、信号光はその一部が増
幅されることとなる。この時の増幅パルスの圧縮では最
短６ｆｓまでのパルスを発生させることができる。した
がって、この白色種光のパルス幅が、励起光と一致する
か、又は励起光よりも短ければ、増幅される波長は飛躍
的に増大し、圧縮した結果のパルス幅は５ｆｓ以下とす
ることができる。

【００５２】上述のようにパルス圧縮を行うため、上記
装置においては、多層膜ミラー対からなる前段光学系４
００ａ，４００ｂを用いている。この場合、前段の多層
膜ミラー対４００ａ，４００ｂで入力光をそれぞれ一回
反射させ、後段の多層膜ミラー対１００ａ，１００ｂで
増幅された信号光をそれぞれ３回反射させる。これによ
り、この白色種光の時間幅が、励起光と一致するか、又
は励起光よりも短くなるため、出射光のパルス幅を５ｆ
ｓ以下とすることができる。

【００５３】図１６は、この場合の出射光の波長（ｎ
ｍ）と光強度（任意定数）の関係を示すグラフである。
半値幅は２４０ｎｍ（１５０ＴＨｚ）に広がり、ＴＬ
（ｔｒａｎｓｆｏｒｍｌｉｍｉｔｅｄ）パルス幅は
４．４ｆｓとなる。

【００５４】図１７は、出射光の遅延（ｆｓ）と規格化
強度（任意定数）の関係を示すグラフである。ＳＥＣＨ
²フィッティング法によるパルス幅は３．５ｆｓであ
り、複素フーリエ変換で見積もったパルス幅は４．７ｆ
ｓとなる。これらの結果は、出射光のパルスが広帯域に
わたって略位相が揃っていることを意味する。このよう
な位相の揃ったレーザ光パルスは、過渡吸収分光やフォ
トンエコーなどの計測技術における不確定要素を排除す
ることができるので、高精度の測定に有用である。

【００５５】電子は可能な遷移に従い、種々の波長のレ
ーザ光によって励起されるが、各波長の位相が揃ってい
れば、励起された分子の振動（分子内の移動）のコヒー
レンスも揃う。したがって、上記位相の揃ったレーザ光
を用いることにより、ポンプ−プローブ法による超高速
時間分解測定において、物質のコヒーレント現象をサブ
ピコ秒の時間領域を時間分解能５ｆｓ以下で測定するこ
とができる。このため、本形態のレーザ装置を用いれ
ば、電子励起にともなうコヒーレントな分子振動によ
り、振電準位の分布がコヒーレントに変調され、スペク
トル変化が観測できる。

【００５６】以上、説明したように、上記レーザ装置
は、レーザ光源１０１から出力された信号光を圧縮する
前段光学系４００ａ，４００ｂと、信号光を励起光の入
力に応じて増幅する非線形光学結晶１１２と、増幅され
た信号光を圧縮する後段光学系１００ａ，１００ｂとを
備え、前段及び後段光学系は入力される光を反射する多
層膜ミラー１００ａ，１００ｂ，４００ａ，４００ｂを
備え、この多層膜ミラーは、屈折率の異なる複数の誘電
体膜を基板ＳＢ上に積層してなり、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、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。

【００５７】このレーザ装置によれば、レーザ光源から
出力された信号光を圧縮する前段光学系４００ａ，４０
０ｂを、増幅された信号光を圧縮する後段光学系１００
ａ，１００ｂに加えて備えているので、増幅前の信号光
のチャープをも補償して、パルス幅を５ｆｓ以下とする
ことができる。

【００５８】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明に係るレ
ーザ装置は、上述の設定を行うことにより、可視光の波
長帯域を有する光パルスの幅を５ｆｓ以下に圧縮するこ
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・・・４
０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レーザ装置のシステム
構成図。

【図１４】多層膜ミラーを用いた別のレーザ装置のシ
ステム構成図。

【図１５】装置内の光の波長（ｎｍ）と群遅延ＧＤ（ｆ
ｓ）の関係を示すグラフ。

【図１６】出射光の波長（ｎｍ）と光強度（任意定数）
の関係を示すグラフ。

【図１７】出射光の遅延（ｆｓ）と規格化強度（任意定
数）の関係を示すグラフ。

【図１８】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、１０１…レーザ光
源、４００ａ，４００ｂ…前段光学系、１００ａ，１０
０ｂ…後段光学系。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者坂根勲東京都東大和市桜ヶ丘３−44−37−18− 1202 (72)発明者高坂正臣静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内Ｆターム(参考） 2H042 DA08 DB00 DE07 2K002 AA04 AA07 AB12 AB33 BA02 CA02 CA22 EA30 GA10 HA20 HA21 5F072 AB20 JJ04 JJ20 KK11 KK12 KK30 QQ02 QQ03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光源から出力された信号光を圧縮
する前段光学系と、前記信号光を励起光の入力に応じて
増幅する非線形光学結晶と、増幅された信号光を圧縮す
る後段光学系とを備え、前記前段及び後段光学系は入力
される光を反射する多層膜ミラーを備え、前記多層膜ミ
ラーは、屈折率の異なる複数の誘電体膜を基板上に積層
してなり、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、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、前記最外膜を含む前記誘電体膜各膜の光学膜
厚が設定されていることを特徴とするレーザ装置。