光学素子、レーザ光発振装置及びレーザ光増幅装置
【課題】従来に比してより簡易に、レーザ光の波長分散を補償することが可能な光学素子を提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態に係る光学素子２０Ａは、光透過性を有する媒質からなり、空気の屈折率より大きい屈折率を有し、入射するレーザ光を壁面２０ａで複数回反射させながら内部を伝搬させる光学素子において、壁面２０ａの一部に位置し、レーザ光を入射させるための入射窓２１と、壁面２０ａの一部に位置し、内部を伝搬したレーザ光を出射させるための出射窓２２と、媒質の一部に一体的に位置し、レーザ光を少なくとも２回透過又は反射させることによって波長分散を補償する波長分散補償手段３１，３２とを備える。
【解決手段】本発明の一実施形態に係る光学素子２０Ａは、光透過性を有する媒質からなり、空気の屈折率より大きい屈折率を有し、入射するレーザ光を壁面２０ａで複数回反射させながら内部を伝搬させる光学素子において、壁面２０ａの一部に位置し、レーザ光を入射させるための入射窓２１と、壁面２０ａの一部に位置し、内部を伝搬したレーザ光を出射させるための出射窓２２と、媒質の一部に一体的に位置し、レーザ光を少なくとも２回透過又は反射させることによって波長分散を補償する波長分散補償手段３１，３２とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光の波長分散を補償することが可能な光学素子と、この光学素子を用いたレーザ光発振装置及びレーザ光増幅装置とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光発振装置やレーザ光増幅装置では、集光レンズやレーザ光を増幅するためのレーザ光増幅媒質などの光透過性を有する様々な光学素子が用いられ、これらの光学素子に起因するレーザ光の波長分散が問題となる。この問題点に関し、下記特許文献１及び２には、レーザ光の波長分散を補償するための発明が開示されている。
【０００３】
特許文献１に記載の分散補正装置は、光路上に配置される一対のプリズムを備え、これらのプリズムによってレーザ光の波長分散を補償する。また、特許文献２に記載のレーザ光発振装置は、光路上に配置される一対の回折格子素子を備え、これらの回折格子素子によってレーザ光の群速度分散（ＧＶＤ）、すなわち波長分散を補償する。
【特許文献１】特開平８−２６４８６９号公報
【特許文献２】特開２０００−２１６４６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１及び２に記載の発明のように一対のプリズムや一対の回折格子素子を備える場合、これらのプリズムや回折格子素子に入射する光の入射角や、プリズム対や回折格子素子対の間隔が重要なパラメータとなるため、光学系形成時におけるアライメントが非常に煩雑であるという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、従来に比してより簡易に、レーザ光の波長分散を補償することが可能な光学素子、レーザ光発振装置及びレーザ光増幅装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の光学素子は、光透過性を有する媒質からなり、空気の屈折率より大きい屈折率を有し、入射するレーザ光を壁面で複数回反射させながら内部を伝搬させる光学素子において、壁面の一部に位置し、レーザ光を入射させるための入射窓と、壁面の一部に位置し、内部を伝搬したレーザ光を出射させるための出射窓と、媒質の一部に一体的に位置し、レーザ光を少なくとも２回透過又は反射させることによって波長分散を補償する波長分散補償手段と、を備える。
【０００７】
この光学素子によれば、レーザ光の波長分散を補償するための波長分散補償手段が、光学素子を構成する媒質の一部に一体的に位置するので、波長分散補償手段の位置調整が容易である。したがって、この光学素子によれば、従来に比してより簡易に、レーザ光の波長分散を補償することが可能となる。
【０００８】
また、この光学素子によれば、光学素子を構成する媒質の屈折率が空気の屈折率より大きいので、光学素子内部においてレーザ光が伝播する距離を長くすることができ、光路長を長くすることができる（光路長の長尺化）。また、光学素子内部においてレーザ光を壁面で複数回反射させながら伝搬させるので、より長い光路長を得ることができる。したがって、レーザ光発振装置やレーザ光増幅装置などの光学装置を実現する場合に、空気中で同様の距離をレーザ光が伝播する構成をとる場合と比べて、光学装置の小型化を実現することができる。
【０００９】
上記した波長分散補償手段は、媒質の一部に直接加工によって形成されていてもよく、媒質の一部に貼り付けられていてもよい。
【００１０】
これによれば、波長分散補償手段の位置精度や間隔精度は、光学素子を構成する媒質の形成精度に依存することとなる。光学素子を構成する媒質は極めて精度よく形成することができるので、波長分散補償手段の位置精度や間隔精度を容易に高めることができる。したがって、従来に比してより簡易に、レーザ光の波長分散を補償することが可能となる。
【００１１】
また、上記した波長分散補償手段は、入射窓及び出射窓のうちの少なくとも何れか一方に位置し、透過型の波長分散補償手段であってもよく、入射窓及び出射窓以外の壁面に位置し、反射型の波長分散補償手段であってもよい。また、上記した波長分散補償手段は、媒質の内部に位置してもよい。
【００１２】
入射窓及び出射窓以外の壁面や媒質の内部に波長分散補償手段を設ける場合、波長分散補償手段の位置によって、波長分散補償手段間の光路長、及び、媒質内の伝搬光路長を調整することができる。波長分散補償手段の波長分散補償量は波長分散補償手段間の光路長に依存するので、これによれば、波長分散補償手段の位置によって、波長分散の制御を任意に行うことが可能となる。
【００１３】
また、超短パルスレーザ光のモード同期を行うためには光共振器間の光路長を調整する必要があるが、これによれば、波長分散補償手段の位置によって、超短パルスレーザ光のモード同期を容易に行うことができると共に、任意の光路長において波長分散の制御を任意に行うことが可能となる。
【００１４】
また、上記した波長分散補償手段は、回折格子であってもよいし、プリズムであってもよい。
【００１５】
また、上記した入射窓及び出射窓は、壁面における同一部位に位置してもよい。これによれば、光学素子として同一の面積及び体積を有する媒質を用いても、光路長を２倍にすることができるので、レーザ光発振装置やレーザ光増幅装置などの光学装置を実現する場合に、光学装置の更なる小型化を実現することができる。
【００１６】
本発明のレーザ光発振装置は、種光を供給するエネルギ供給部と、種光を増幅することによってレーザ光を生成する光増幅媒質と、レーザ光を壁面で複数回反射させながら内部を伝搬させる光学素子であって、上記した光学素子と、を備える。
【００１７】
このレーザ光発振装置によれば、上記したように、波長分散補償手段を一体的に有する光学素子を備えているので、レーザ光の波長分散を補償するために要する位置調整が容易である。したがって、このレーザ光発振装置によれば、従来に比してより簡易に、レーザ光の波長分散を補償することが可能となる。
【００１８】
また、このレーザ光発振装置によれば、上記したように、光路長の長尺化を可能とする光学素子を備えているので、空気中で同様の距離をレーザ光が伝播する構成をとる場合と比べて、小型化を実現することができる。
【００１９】
本発明のレーザ光増幅装置は、励起光を供給するエネルギ供給部と、種光を受け、励起光を用いて当該種光を増幅することによってレーザ光を生成する光増幅媒質と、レーザ光を壁面で複数回反射させながら内部を伝搬させる光学素子であって、上記した光学素子と、を備える。
【００２０】
このレーザ光増幅装置によれば、上記したように、波長分散補償手段を一体的に有する光学素子を備えているので、レーザ光の波長分散を補償するために要する位置調整が容易である。したがって、このレーザ光増幅装置によれば、従来に比してより簡易に、レーザ光の波長分散を補償することが可能となる。
【００２１】
また、このレーザ光増幅装置によれば、上記したように、光路長の長尺化を可能とする光学素子を備えているので、空気中で同様の距離をレーザ光が伝播する構成をとる場合と比べて、小型化を実現することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、従来に比してより簡易に、レーザ光の波長分散を補償することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
【００２４】
図１は、本発明の実施形態に係るレーザ光発振装置１００の構成図である。図１に示すレーザ光発振装置１００は、エネルギ供給部１１０と光増幅部１２０とを備える。エネルギ供給部１１０は、光増幅部１２０に励起エネルギ（例えば励起光）を供給する。光増幅部１２０は、光増幅媒質１０と光学素子２０を有する。光増幅媒質１０は、エネルギ供給部１１０からの励起エネルギを受けて、誘導放出による光増幅によってレーザ光を出力する。光学素子２０は、光透過性を有する媒質（例えば透明媒質）からなり、その内部に光増幅媒質１０からのレーザ光を通過させるものである。光学素子２０は、レーザ光を壁面で複数回反射させながら内部を伝搬させる。
【００２５】
図２は、本発明の実施形態に係るレーザ光増幅装置１００Ａの構成図である。図２には、本実施形態のレーザ光増幅装置１００Ａと共に、種光生成装置２００が示されている。図２に示すレーザ光増幅装置１００Ａは、レーザ光発振装置１００と同様に、エネルギ供給部１１０と光増幅部１２０とを備える。エネルギ供給部１１０は、光増幅部１２０に励起エネルギ（例えば励起光）を供給するものである。光増幅部１２０は、光増幅媒質１０と光学素子２０を有する。光増幅媒質１０は、エネルギ供給部１１０からの励起エネルギを用いて、外部の種光生成装置２００からの種光を増幅し、レーザ光を出力する。光学素子２０は、光透過性を有する媒質（例えば透明媒質）からなり、その内部に光増幅媒質１０からのレーザ光を通過させるものである。光学素子２０は、レーザ光を壁面で複数回反射させながら内部を伝搬させる。
【００２６】
なお、これらのレーザ光発振装置１００及びレーザ光増幅装置１００Ａは、光共振器（例えばファイブリペロ型光共振器）を有し、レーザ光が光増幅媒質１０及び光学素子２０を複数回通過するマルチパス構造であってもよい。
【００２７】
ここで、エネルギ供給部１１０としては、半導体レーザ光源を用いることができる。光増幅媒質１０の吸収スペクトルと一致した発振波長をもつ半導体レーザ光源をエネルギ供給部１１０として用いれば、光増幅媒質１０の励起効率を向上させることができる。
【００２８】
また、光増幅媒質１０としては、固体レーザ媒質を用いることができる。例えば、チタンサファイア、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＫＧＷ、Ｙｂ：ＫＹＷ、Ｙｂ：ＹＡＧなどが用いられる。光増幅媒質１０が固体レーザ媒質である場合、例えばＹｂ系のレーザ媒質の吸収波長は、市販されている半導体レーザ光源の発振波長との整合性が良い。
【００２９】
次に、光学素子２０の一実施形態として、第１〜第８実施形態の光学素子２０Ａ〜２０Ｈを例示する。
［第１実施形態］
【００３０】
図３は、本発明の第１実施形態に係る光学素子２０Ａの構成図である。図３に示す光学素子２０Ａは、略直方体の形状であり、壁面２０ａの一部に入射窓２１及び出射窓２２が形成されている。本実施形態では、光学素子２０Ａの或るコーナー部が面取りされて入射窓２１が形成され、他の或るコーナー部が面取りされて出射窓２２が形成されている。
【００３１】
これらの入射窓２１及び出射窓２２には、直接加工によって、それぞれ、透過型の回折格子３１，３２が形成されている。このようにして、入射窓２１には回折格子３１が一体的に形成され、出射窓２２には回折格子３２が一体的に形成されることとなる。
【００３２】
光学素子２０Ａとして、例えば合成石英などの固体媒質を用いることができる。合成石英は、紫外域から赤外域にかけての広い波長域で透明性が高く、さらに、熱膨張係数が小さいので熱的安定性にも優れている。その他、光学素子２０Ａは、ホウケイ酸ガラスやソーダ石灰ガラスなどの他のガラス材質や、アクリルやポリプロピレンなどのプラスチック材質や、サファイア、ダイヤモンドなどの単結晶材質であってもよい。
【００３３】
なお、回折格子３１，３２は光学素子２０Ａと同一の媒質からなる板に形成され、この回折格子板が入射窓２１及び出射窓２２各々に一体的に貼り付けられていてもよい。
【００３４】
この光学素子２０Ａでは、レーザ光が入射窓２１から入射し、その内部を壁面２０ａで複数回全反射しながら伝播し、出射窓２２より出射する。
【００３５】
レーザ光は、壁面２０ａで反射される際に、その壁面２０ａへの入射角が臨界角以上となる。例えば、光学素子２０Ａが合成石英で構成されている場合、その屈折率は約１．４５３であることから、空気に対する臨界角は約４３.６度である。したがって、合成石英からなる光学素子２０Ａ中を伝播する光が壁面２０ａに対して４５度の角度で進行すれば、その光は壁面（合成石英と空気との界面）２０ａで全反射される。よって、この場合には、反射個所に高反射コーティングを施す必要がない。
【００３６】
また、レーザ光は、入射窓２１及び出射窓２２各々に形成された回折格子３１，３２を１回ずつ通過し、回折格子を合計２回通過することとなる。
【００３７】
ここで、レーザ光は、光学素子２０Ａの内部を伝播すると、例えば、媒質が有する屈折率分散に依存して正の波長分散を受ける。この光学素子２０Ａの媒質による波長分散Φ＋は下式（１）で表される。
【数１】
λ：レーザ光の波長
ｃ：レーザ光の速度
ｄ２ｎ／ｄλ２：光学素子２０Ａの媒質固有の二次屈折率分散
ｌｍ：光学素子２０Ａ内部における伝播距離
【００３８】
レーザ光が超短パルス光であった場合、この波長分散Φ＋は超短パルス光のパルス幅を伸張させる。
【００３９】
また、レーザ光は、回折格子３１，３２を通過すると、例えば、負の波長分散を受ける。この回折格子３１，３２による波長分散Φ−は下式（２）で表される。
【数２】
ω：レーザ光の角周波数（ω＝２πｃ／λ）
ｄｇ：回折格子３１，３２各々の刻線間隔
θ：回折格子３１，３２における光の回折角
ｎ：光学素子２０Ａの媒質固有の屈折率
ｌｇ：回折格子３１，３２間の距離
【００４０】
レーザ光が超短パルス光であった場合、この波長分散Φ−は、同様に、超短パルス光のパルス幅を伸張させる。
【００４１】
本実施形態では、回折格子３１の回折角と回折格子３２への入射角とは等しく、θでなければならない。また、本実施形態では、回折格子３１，３２間の距離ｌｇは、光学素子２０Ａ内部における伝播距離ｌｍに等しい。
【００４２】
このように、光学素子２０Ａの媒質に起因する波長分散Φ＋と回折格子３１，３２に起因する波長分散Φ−とは極性が異なるので、光学素子２０Ａの媒質に起因する波長分散Φ＋を回折格子３１，３２に起因する波長分散Φ−によって補償することができる。
【００４３】
補償方法としては、Φ＋＋Φ−＝０として、光学素子２０Ａの媒質に起因する波長分散Φ＋を回折格子３１，３２に起因する波長分散Φ−によって完全に打ち消してもよく、Φ＋＋Φ−≠０として、光学素子２０Ａの媒質に起因する波長分散Φ＋に加えて、レーザ光発振装置１００（又はレーザ光増幅装置１００Ａ）内の光増幅媒質１０や集光レンズ等の光学素子に起因する波長分散をも含めたレーザ光発振装置１００（又はレーザ光増幅装置１００Ａ）全体の波長分散を、回折格子３１，３２に起因する波長分散Φ−によって打ち消してもよい。
【００４４】
例えば、超短パルス光であるレーザ光を超短パルス光のまま出射したい場合には、Φ＋＋Φ−＝０とすればよい。レーザ光の波長がλ＝０．８μｍであり、光学素子２０Ａの材料が合成石英であるとすると、合成石英の屈折率はｎ＝１．４５３であり、二次屈折率分散は３．９８８×１０−２である。レーザ光が回折格子に対してリトロー配置で入射する場合、Φ＋とΦ−の和をゼロにするためには、上記（１）式及び（２）式より、回折格子３１，３２の刻線本数は１６５．５ｇｒｏｏｖｅｓ／ｍｍとすればよい。
【００４５】
この第１実施形態の光学素子２０Ａによれば、レーザ光の波長分散を補償するための回折格子（波長分散補償手段）３１，３２が、それぞれ、光学素子２０Ａを構成する媒質における入射窓２１及び出射窓２２に一体的に形成されているので、回折格子３１，３２の位置調整が容易である。また、振動などの外部応力による回折格子３１，３２の位置ずれを低減することができる。したがって、第１実施形態の光学素子２０Ａによれば、従来に比してより簡易に、レーザ光の波長分散を補償することが可能となる。
【００４６】
また、回折格子３１，３２の位置精度や間隔精度は、光学素子２０Ａを構成する媒質の形成精度に依存することとなる。光学素子２０Ａを構成する媒質は極めて精度よく形成することができるので、回折格子３１，３２の位置精度や間隔精度を容易に高めることができる。
【００４７】
また、第１実施形態の光学素子２０Ａによれば、光学素子２０Ａを構成する媒質の屈折率が空気の屈折率より大きいので、光学素子２０Ａ内部においてレーザ光が伝播する距離を長くすることができ、光路長を長くすることができる（光路長の長尺化）。また、光学素子２０Ａ内部においてレーザ光を壁面２０ａで複数回反射させながら伝搬させるので、より長い光路長を得ることができる。したがって、レーザ光発振装置１００やレーザ光増幅装置１００Ａなどの光学装置を実現する場合に、空気中で同様の距離をレーザ光が伝播する構成をとる場合と比べて、光学装置の小型化を実現することができる。
【００４８】
また、第１実施形態の光学素子２０Ａによれば、上記（１）式及び（２）式においてｌｍ＝ｌｇであるので、任意の伝搬距離において、Φ＋とΦ−との和をゼロとすることが可能である。すなわち、光路長の長尺化と波長分散補償とを同時に実現することができる。
【００４９】
このように、第１実施形態の光学素子２０Ａによれば、任意の光路長において波長分散補償が可能であるので、光学装置の小型化を実現しつつ、超短パルスレーザ光におけるモード同期を容易に行うことが可能となる。モード同期では、カーレンズモード同期や半導体可飽和吸収体を用いた受動モード同期などが利用できる。半導体可飽和吸収体を用いる場合、半導体可飽和体上で光が集光されている必要があるため、半導体可飽和体に至る光路の途中に凹面鏡を挿入する必要がある。
［第２実施形態］
【００５０】
図４は、本発明の第２実施形態に係る光学素子２０Ｂの構成図である。図４に示す光学素子２０Ｂは、光学素子２０Ａにおいて、回折格子が、出射窓２２に代えて、入射窓２１及び出射窓２２以外の壁面２０ａの一部２３に形成されている構成で、第１実施形態と異なっている。光学素子２０Ｂの他の構成は、光学素子２０Ａと同様である。
【００５１】
壁面２０ａの一部２３には、反射型の回折格子３３が直接加工によって形成された回折格子板が、一体的に貼り付けられている。回折格子板としては、上記した光学素子２０Ａの媒質と同一の材質であることが好ましい。
【００５２】
この反射型の回折格子３３では、金属膜を蒸着するなどして反射率を高めることが好ましい。このとき、回折光が壁面２０ａに対して全反射条件を満たす角度で入射するように設計されることが望ましいが、反射膜に寄るコーティングを施してもよい。
【００５３】
なお、回折格子３３は、直接加工によって、壁面２０ａの一部２３に一体的に形成されてもよい。
【００５４】
この第２実施形態の光学素子２０Ｂでも、第１実施形態の光学素子２０Ａと同様の利点を得ることができる。
【００５５】
第２実施形態の光学素子２０Ｂでは、第１実施形態の光学素子２０Ａと異なり、上記（１）式及び（２）式において、光学素子２０Ｂ内部における伝播距離ｌｍと回折格子３１，３３間の距離ｌｇとが不等になる。この回折格子３１，３３間の距離、すなわち、回折格子３１，３３間の光路長は、回折格子３３の形成位置によって変更可能である。例えば、図４によれば、回折格子３１で回折されたレーザ光が壁面２０ａで全反射した後に回折格子３３に入射しているが、回折格子３１，３３間における壁面２０ａでの全反射回数を減らせば回折格子３１，３３間の間隔ｌｇを短くすることができ、回折格子３１，３３間における壁面２０ａでの全反射回数を増やせば回折格子３１，３３間の間隔ｌｇを長くすることができる。
【００５６】
このように、第２実施形態の光学素子２０Ｂでは、回折格子３３の形成位置によって、回折格子３１，３３間の距離ｌｇを調整することができる。上記（２）式に示すように、回折格子３１，３３による波長分散Φ−の量は回折格子３１，３３間の距離ｌｇに依存するので、第２実施形態の光学素子２０Ｂによれば、回折格子３３の形成位置によって、波長分散の制御を任意に行うことが可能となる。
【００５７】
また、第２実施形態の光学素子２０Ｂでは、回折格子３３の形成位置によって、光学素子２０Ｂ内部における伝播距離ｌｍも調整することができる。超短パルスレーザ光のモード同期を行うためには光共振器間の光路長を調整する必要があるが、第２実施形態の光学素子２０Ｂによれば、回折格子３３の形成位置によって、超短パルスレーザ光におけるモード同期を行うことができると共に、任意の光路長において波長分散補償を任意に行うことが可能となる。
［第３実施形態］
【００５８】
図５は、本発明の第３実施形態に係る光学素子２０Ｃの構成図である。図５に示す光学素子２０Ｃは、光学素子２０Ｂにおいて、回折格子が、入射窓２１に代えて、入射窓２１、出射窓２２及び壁面２０ａの一部２３以外の壁面２０ａの他の一部２４に形成されている構成で、第２実施形態と異なっている。光学素子２０Ｃの他の構成は、光学素子２０Ｂと同様である。
【００５９】
壁面２０ａの他の一部２４には、同様に、反射型の回折格子３４が直接加工によって形成された回折格子板が、一体的に貼り付けられている。回折格子板としては、上記した光学素子２０Ａの媒質と同一の材質であることが好ましい。
【００６０】
なお、回折格子３４は、直接加工によって、壁面２０ａの他の一部２４に一体的に形成されてもよい。
【００６１】
この第３実施形態の光学素子２０Ｃでも、第２実施形態の光学素子２０Ｂと同様の利点を得ることができる。
【００６２】
更に、第３実施形態の光学素子２０Ｃでは、回折格子３３の形成位置に加えて回折格子３４の形成位置によって、回折格子３３，３４間の距離ｌｇ、すなわち、回折格子３３，３４間の光路長を調整することができるので、波長分散の制御をより任意に行うことが可能となる。
【００６３】
更に、第３実施形態の光学素子２０Ｃでは、回折格子３３の形成位置に加えて回折格子３４の形成位置によって、光学素子２０Ｃ内部における伝播距離ｌｍも調整することができるので、超短パルスレーザ光におけるモード同期をより任意に行うことができると共に、任意の光路長において波長分散補償をより任意に行うことが可能となる。
［第４実施形態］
【００６４】
図６は、本発明の第４実施形態に係る光学素子２０Ｄの構成図である。図６に示す光学素子２０Ｄは、光学素子２０Ａにおいて、回折格子が、入射窓２１に代えて、内部の光路の一部２５，２６に形成されている構成で、第１実施形態と異なっている。光学素子２０Ｄの他の構成は、光学素子２０Ａと同様である。
【００６５】
光学素子２０Ｄの内部の光路の一部２５，２６には、それぞれ、直接加工によって、一体的に透過型の回折格子３５，３６が形成されている。近年、レーザ光などを用いて、光透過性を有する媒質の内部に加工を施す技術が研究されている。例えば、この技術を用いれば、光学素子２０Ｄの内部の任意の箇所に回折格子を形成することが可能である。
【００６６】
この第４実施形態の光学素子２０Ｄでも、第１実施形態の光学素子２０Ａと同様の利点を得ることができる。
【００６７】
更に、第４実施形態の光学素子２０Ｄによれば、第３実施形態の光学素子２０Ｃと同様に、回折格子３５，３６の形成位置によって、回折格子３５，３６間の距離ｌｇ、すなわち、回折格子３５，３６間の光路長を調整することができるので、波長分散の制御をより任意に行うことが可能となる。
【００６８】
更に、第４実施形態の光学素子２０Ｄによれば、第３実施形態の光学素子２０Ｃと同様に、回折格子３５，３６の形成位置によって、光学素子２０Ｄ内部における伝播距離ｌｍも調整することができるので、超短パルスレーザ光におけるモード同期をより任意に行うことができると共に、任意の光路長において波長分散補償をより任意に行うことが可能となる。
［第５実施形態］
【００６９】
図７は、本発明の第５実施形態に係る光学素子２０Ｅの構成図である。図７に示す光学素子２０Ｅは、光学素子２０Ａにおいて、回折格子が、入射窓２１及び出射窓２２に代えて、入射窓２１及び出射窓２２以外の壁面２０ａの一部２７であって、光が２回通過する壁面２０ａの一部２７に１つだけ形成されている構成で、第１実施形態と異なっている。
【００７０】
壁面２０ａの一部２７には、第２及び第３実施形態と同様に、反射型の回折格子３７が直接加工によって形成された回折格子板が、一体的に貼り付けられている。回折格子板としては、上記した光学素子２０Ａの媒質と同一の材質であることが好ましい。
【００７１】
なお、回折格子３７は、直接加工によって、壁面２０ａの一部２７に一体的に形成されてもよい。
【００７２】
この第５実施形態の光学素子２０Ｅでも、第１実施形態の光学素子２０Ａと同様の利点を得ることができる。
【００７３】
更に、第５実施形態の光学素子２０Ｅによれば、第２〜第４実施形態の光学素子２０Ｂ〜２０Ｄと同様に、回折格子３７の形成位置によって、回折格子３７間の距離ｌｇ、すなわち、回折格子３７間の光路長を調整することができるので、波長分散の制御をより任意に行うことが可能となる。
【００７４】
更に、第５実施形態の光学素子２０Ｅによれば、第２〜第４実施形態の光学素子２０Ｂ〜２０Ｄと同様に、回折格子３７の形成位置によって、光学素子２０Ｅ内部における伝播距離ｌｍも調整することができるので、超短パルスレーザ光におけるモード同期をより任意に行うことができると共に、任意の光路長において波長分散補償をより任意に行うことが可能となる。
【００７５】
更に、第５実施形態の光学素子２０Ｅによれば、回折格子の数を減らすことができるので、製造が容易となり、低価格化を実現することができる。
［第６実施形態］
【００７６】
図８は、本発明の第６実施形態に係る光学素子２０Ｆの構成図である。図８に示す光学素子２０Ｆは、光学素子２０Ａにおいて、出射窓２２に、回折格子３２に代えて全反射板３８が設けられている構成で、第１実施形態と異なっている。光学素子２０Ｆの他の構成は、光学素子２０Ａと同様である。
【００７７】
窓２２には、全反射板３８が直接加工によって形成された回折格子板が、一体的に貼り付けられている。このようにして、本実施形態では、窓２２はレーザ光の折り返し点に相当し、窓２１は入出射窓に相当する。
【００７８】
この第６実施形態の光学素子２０Ｆでも、第１実施形態の光学素子２０Ａと同様の利点を得ることができる。
【００７９】
更に、第６実施形態の光学素子２０Ｆによれば、光学素子２０Ｆとして同一の面積及び体積を有する媒質を用いても、光路長を２倍にすることができるので、レーザ光発振装置１００やレーザ光増幅装置１００Ａなどの光学装置を実現する場合に、光学装置の更なる小型化を実現することができる。
【００８０】
更に、第６実施形態の光学素子２０Ｆによれば、回折格子の数を減らすことができるので、製造が容易となり、低価格化を実現することができる。
［第７実施形態］
【００８１】
図９は、本発明の第７実施形態に係る光学素子２０Ｇの構成図である。図９に示す光学素子２０Ｇは、光学素子２０Ａにおいて、更に、第３実施形態の光学素子２０Ｃと同様に壁面２０ａの一部２３，２４に反射型の回折格子３３，３４を備えている構成で、第１実施形態と異なっている。光学素子２０Ｇの他の構成は、光学素子２０Ａと同様である。
【００８２】
この第７実施形態に係る光学素子２０Ｇでも、第１実施形態の光学素子２０Ａ及び第３実施形態の光学素子２０Ｃと同様の利点を得ることができる。
【００８３】
更に、第７実施形態の光学素子２０Ｇでは、レーザ光が４回回折されることで、レーザ光の空間的な分光状態も取り去ることができる。レーザ光は回折格子３１により回折され、空間的に広がったレーザ光が回折格子３３によって平行光とされた後に、回折格子３４で一点に収束され、回折格子３２で元のビームサイズに戻される。
【００８４】
回折格子を２枚だけ用いた場合、原理的には回折格子３３の後の平行光は空間的には分光されているが、本構成をとることで光共振器内に光学素子を設置した場合、すなわち光学素子を光が往復する事を前提とした場合、もしくは光の空間的な分光状態が問題にならない場合、いずれでなくとも、光学素子２０Ｇを挿入することができる。光学素子２０Ｇは、入射光及び出射光が同一直線状になるよう配置されることが好ましい。
［第８実施形態］
【００８５】
図１０は、本発明の第８実施形態に係る光学素子２０Ｈの構成図である。図１０に示す光学素子２０Ｈは、光学素子２０Ａにおいて、入射窓２１及び出射窓２２に、回折格子３１，３２に代えてプリズム３９，４０をそれぞれ備える構成で、第１実施形態と異なっている。光学素子２０Ｈの他の構成は、光学素子２０Ａと同様である。
【００８６】
光学素子２０Ｈでは、入射窓２１は、入射光に対して非垂直面を形成し、プリズムの機能を持つように形成され、出射窓２２は、出射光に対して非垂直面を形成し、プリズムの機能を持つように形成されている。このようにして、光学素子２０Ｈでは、入射窓２１及び出射窓２２に、プリズムが一体的に形成されることとなる。
【００８７】
更に、これらの入射窓２１及び出射窓２２は、レーザ光がブリュースター角で入出射するように形成されていることが好ましい。これらの構成によって、プリズム界面における損失を極めて低減することができる。
【００８８】
この第８実施形態の光学素子２０Ｈでも、第１実施形態の光学素子２０Ａと同様の利点を得ることができる。
【００８９】
更に、第８実施形態の光学素子２０Ｈによれば、面取り加工後、入射窓２１及び出射窓２２を研磨するだけでよいので、製造が容易となり、低価格化を実現することが可能となる。
【００９０】
なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では、光学素子２０Ａ〜２０Ｈの媒質の形状が略直方体であったが、光学素子２０Ａ〜２０Ｈの媒質の形状としては略直方体に限定されない。
【００９１】
また、第１〜第７実施形態では、回折格子の形成位置として、入射窓、出射窓、壁面の一部、媒質内部の一部などの一例を示したが、これらの形成位置の組合せとしては様々な組合せが適用可能である。
【００９２】
また、第４実施形態では、光学素子２０Ｄの媒質の内部に回折格子を２つ設ける形態を例示したが、第５実施形態と同様に、光が２回通過する部分に回折格子を１つ設ける形態であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザ光発振装置の構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係るレーザ光増幅装置の構成図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る光学素子の構成図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る光学素子の構成図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る光学素子の構成図である。
【図６】本発明の第４実施形態に係る光学素子の構成図である。
【図７】本発明の第５実施形態に係る光学素子の構成図である。
【図８】本発明の第６実施形態に係る光学素子の構成図である。
【図９】本発明の第７実施形態に係る光学素子の構成図である。
【図１０】本発明の第８実施形態に係る光学素子の構成図である。
【符号の説明】
【００９４】
１００…レーザ光発振装置、１００Ａ…レーザ光増幅装置、２００…種光生成装置、１１０…エネルギ供給部、１２０…光増幅部、１０…光増幅媒質、２０，２０Ａ〜２０Ｈ…光学素子、２０ａ…壁面、２１…入射窓、２２…出射窓、３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７…回折格子（波長分散補償手段）、３８…全反射板、３９，４０…プリズム。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光の波長分散を補償することが可能な光学素子と、この光学素子を用いたレーザ光発振装置及びレーザ光増幅装置とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光発振装置やレーザ光増幅装置では、集光レンズやレーザ光を増幅するためのレーザ光増幅媒質などの光透過性を有する様々な光学素子が用いられ、これらの光学素子に起因するレーザ光の波長分散が問題となる。この問題点に関し、下記特許文献１及び２には、レーザ光の波長分散を補償するための発明が開示されている。
【０００３】
特許文献１に記載の分散補正装置は、光路上に配置される一対のプリズムを備え、これらのプリズムによってレーザ光の波長分散を補償する。また、特許文献２に記載のレーザ光発振装置は、光路上に配置される一対の回折格子素子を備え、これらの回折格子素子によってレーザ光の群速度分散（ＧＶＤ）、すなわち波長分散を補償する。
【特許文献１】特開平８−２６４８６９号公報
【特許文献２】特開２０００−２１６４６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１及び２に記載の発明のように一対のプリズムや一対の回折格子素子を備える場合、これらのプリズムや回折格子素子に入射する光の入射角や、プリズム対や回折格子素子対の間隔が重要なパラメータとなるため、光学系形成時におけるアライメントが非常に煩雑であるという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、従来に比してより簡易に、レーザ光の波長分散を補償することが可能な光学素子、レーザ光発振装置及びレーザ光増幅装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の光学素子は、光透過性を有する媒質からなり、空気の屈折率より大きい屈折率を有し、入射するレーザ光を壁面で複数回反射させながら内部を伝搬させる光学素子において、壁面の一部に位置し、レーザ光を入射させるための入射窓と、壁面の一部に位置し、内部を伝搬したレーザ光を出射させるための出射窓と、媒質の一部に一体的に位置し、レーザ光を少なくとも２回透過又は反射させることによって波長分散を補償する波長分散補償手段と、を備える。
【０００７】
この光学素子によれば、レーザ光の波長分散を補償するための波長分散補償手段が、光学素子を構成する媒質の一部に一体的に位置するので、波長分散補償手段の位置調整が容易である。したがって、この光学素子によれば、従来に比してより簡易に、レーザ光の波長分散を補償することが可能となる。
【０００８】
また、この光学素子によれば、光学素子を構成する媒質の屈折率が空気の屈折率より大きいので、光学素子内部においてレーザ光が伝播する距離を長くすることができ、光路長を長くすることができる（光路長の長尺化）。また、光学素子内部においてレーザ光を壁面で複数回反射させながら伝搬させるので、より長い光路長を得ることができる。したがって、レーザ光発振装置やレーザ光増幅装置などの光学装置を実現する場合に、空気中で同様の距離をレーザ光が伝播する構成をとる場合と比べて、光学装置の小型化を実現することができる。
【０００９】
上記した波長分散補償手段は、媒質の一部に直接加工によって形成されていてもよく、媒質の一部に貼り付けられていてもよい。
【００１０】
これによれば、波長分散補償手段の位置精度や間隔精度は、光学素子を構成する媒質の形成精度に依存することとなる。光学素子を構成する媒質は極めて精度よく形成することができるので、波長分散補償手段の位置精度や間隔精度を容易に高めることができる。したがって、従来に比してより簡易に、レーザ光の波長分散を補償することが可能となる。
【００１１】
また、上記した波長分散補償手段は、入射窓及び出射窓のうちの少なくとも何れか一方に位置し、透過型の波長分散補償手段であってもよく、入射窓及び出射窓以外の壁面に位置し、反射型の波長分散補償手段であってもよい。また、上記した波長分散補償手段は、媒質の内部に位置してもよい。
【００１２】
入射窓及び出射窓以外の壁面や媒質の内部に波長分散補償手段を設ける場合、波長分散補償手段の位置によって、波長分散補償手段間の光路長、及び、媒質内の伝搬光路長を調整することができる。波長分散補償手段の波長分散補償量は波長分散補償手段間の光路長に依存するので、これによれば、波長分散補償手段の位置によって、波長分散の制御を任意に行うことが可能となる。
【００１３】
また、超短パルスレーザ光のモード同期を行うためには光共振器間の光路長を調整する必要があるが、これによれば、波長分散補償手段の位置によって、超短パルスレーザ光のモード同期を容易に行うことができると共に、任意の光路長において波長分散の制御を任意に行うことが可能となる。
【００１４】
また、上記した波長分散補償手段は、回折格子であってもよいし、プリズムであってもよい。
【００１５】
また、上記した入射窓及び出射窓は、壁面における同一部位に位置してもよい。これによれば、光学素子として同一の面積及び体積を有する媒質を用いても、光路長を２倍にすることができるので、レーザ光発振装置やレーザ光増幅装置などの光学装置を実現する場合に、光学装置の更なる小型化を実現することができる。
【００１６】
本発明のレーザ光発振装置は、種光を供給するエネルギ供給部と、種光を増幅することによってレーザ光を生成する光増幅媒質と、レーザ光を壁面で複数回反射させながら内部を伝搬させる光学素子であって、上記した光学素子と、を備える。
【００１７】
このレーザ光発振装置によれば、上記したように、波長分散補償手段を一体的に有する光学素子を備えているので、レーザ光の波長分散を補償するために要する位置調整が容易である。したがって、このレーザ光発振装置によれば、従来に比してより簡易に、レーザ光の波長分散を補償することが可能となる。
【００１８】
また、このレーザ光発振装置によれば、上記したように、光路長の長尺化を可能とする光学素子を備えているので、空気中で同様の距離をレーザ光が伝播する構成をとる場合と比べて、小型化を実現することができる。
【００１９】
本発明のレーザ光増幅装置は、励起光を供給するエネルギ供給部と、種光を受け、励起光を用いて当該種光を増幅することによってレーザ光を生成する光増幅媒質と、レーザ光を壁面で複数回反射させながら内部を伝搬させる光学素子であって、上記した光学素子と、を備える。
【００２０】
このレーザ光増幅装置によれば、上記したように、波長分散補償手段を一体的に有する光学素子を備えているので、レーザ光の波長分散を補償するために要する位置調整が容易である。したがって、このレーザ光増幅装置によれば、従来に比してより簡易に、レーザ光の波長分散を補償することが可能となる。
【００２１】
また、このレーザ光増幅装置によれば、上記したように、光路長の長尺化を可能とする光学素子を備えているので、空気中で同様の距離をレーザ光が伝播する構成をとる場合と比べて、小型化を実現することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、従来に比してより簡易に、レーザ光の波長分散を補償することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
【００２４】
図１は、本発明の実施形態に係るレーザ光発振装置１００の構成図である。図１に示すレーザ光発振装置１００は、エネルギ供給部１１０と光増幅部１２０とを備える。エネルギ供給部１１０は、光増幅部１２０に励起エネルギ（例えば励起光）を供給する。光増幅部１２０は、光増幅媒質１０と光学素子２０を有する。光増幅媒質１０は、エネルギ供給部１１０からの励起エネルギを受けて、誘導放出による光増幅によってレーザ光を出力する。光学素子２０は、光透過性を有する媒質（例えば透明媒質）からなり、その内部に光増幅媒質１０からのレーザ光を通過させるものである。光学素子２０は、レーザ光を壁面で複数回反射させながら内部を伝搬させる。
【００２５】
図２は、本発明の実施形態に係るレーザ光増幅装置１００Ａの構成図である。図２には、本実施形態のレーザ光増幅装置１００Ａと共に、種光生成装置２００が示されている。図２に示すレーザ光増幅装置１００Ａは、レーザ光発振装置１００と同様に、エネルギ供給部１１０と光増幅部１２０とを備える。エネルギ供給部１１０は、光増幅部１２０に励起エネルギ（例えば励起光）を供給するものである。光増幅部１２０は、光増幅媒質１０と光学素子２０を有する。光増幅媒質１０は、エネルギ供給部１１０からの励起エネルギを用いて、外部の種光生成装置２００からの種光を増幅し、レーザ光を出力する。光学素子２０は、光透過性を有する媒質（例えば透明媒質）からなり、その内部に光増幅媒質１０からのレーザ光を通過させるものである。光学素子２０は、レーザ光を壁面で複数回反射させながら内部を伝搬させる。
【００２６】
なお、これらのレーザ光発振装置１００及びレーザ光増幅装置１００Ａは、光共振器（例えばファイブリペロ型光共振器）を有し、レーザ光が光増幅媒質１０及び光学素子２０を複数回通過するマルチパス構造であってもよい。
【００２７】
ここで、エネルギ供給部１１０としては、半導体レーザ光源を用いることができる。光増幅媒質１０の吸収スペクトルと一致した発振波長をもつ半導体レーザ光源をエネルギ供給部１１０として用いれば、光増幅媒質１０の励起効率を向上させることができる。
【００２８】
また、光増幅媒質１０としては、固体レーザ媒質を用いることができる。例えば、チタンサファイア、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＫＧＷ、Ｙｂ：ＫＹＷ、Ｙｂ：ＹＡＧなどが用いられる。光増幅媒質１０が固体レーザ媒質である場合、例えばＹｂ系のレーザ媒質の吸収波長は、市販されている半導体レーザ光源の発振波長との整合性が良い。
【００２９】
次に、光学素子２０の一実施形態として、第１〜第８実施形態の光学素子２０Ａ〜２０Ｈを例示する。
［第１実施形態］
【００３０】
図３は、本発明の第１実施形態に係る光学素子２０Ａの構成図である。図３に示す光学素子２０Ａは、略直方体の形状であり、壁面２０ａの一部に入射窓２１及び出射窓２２が形成されている。本実施形態では、光学素子２０Ａの或るコーナー部が面取りされて入射窓２１が形成され、他の或るコーナー部が面取りされて出射窓２２が形成されている。
【００３１】
これらの入射窓２１及び出射窓２２には、直接加工によって、それぞれ、透過型の回折格子３１，３２が形成されている。このようにして、入射窓２１には回折格子３１が一体的に形成され、出射窓２２には回折格子３２が一体的に形成されることとなる。
【００３２】
光学素子２０Ａとして、例えば合成石英などの固体媒質を用いることができる。合成石英は、紫外域から赤外域にかけての広い波長域で透明性が高く、さらに、熱膨張係数が小さいので熱的安定性にも優れている。その他、光学素子２０Ａは、ホウケイ酸ガラスやソーダ石灰ガラスなどの他のガラス材質や、アクリルやポリプロピレンなどのプラスチック材質や、サファイア、ダイヤモンドなどの単結晶材質であってもよい。
【００３３】
なお、回折格子３１，３２は光学素子２０Ａと同一の媒質からなる板に形成され、この回折格子板が入射窓２１及び出射窓２２各々に一体的に貼り付けられていてもよい。
【００３４】
この光学素子２０Ａでは、レーザ光が入射窓２１から入射し、その内部を壁面２０ａで複数回全反射しながら伝播し、出射窓２２より出射する。
【００３５】
レーザ光は、壁面２０ａで反射される際に、その壁面２０ａへの入射角が臨界角以上となる。例えば、光学素子２０Ａが合成石英で構成されている場合、その屈折率は約１．４５３であることから、空気に対する臨界角は約４３.６度である。したがって、合成石英からなる光学素子２０Ａ中を伝播する光が壁面２０ａに対して４５度の角度で進行すれば、その光は壁面（合成石英と空気との界面）２０ａで全反射される。よって、この場合には、反射個所に高反射コーティングを施す必要がない。
【００３６】
また、レーザ光は、入射窓２１及び出射窓２２各々に形成された回折格子３１，３２を１回ずつ通過し、回折格子を合計２回通過することとなる。
【００３７】
ここで、レーザ光は、光学素子２０Ａの内部を伝播すると、例えば、媒質が有する屈折率分散に依存して正の波長分散を受ける。この光学素子２０Ａの媒質による波長分散Φ＋は下式（１）で表される。
【数１】
λ：レーザ光の波長
ｃ：レーザ光の速度
ｄ２ｎ／ｄλ２：光学素子２０Ａの媒質固有の二次屈折率分散
ｌｍ：光学素子２０Ａ内部における伝播距離
【００３８】
レーザ光が超短パルス光であった場合、この波長分散Φ＋は超短パルス光のパルス幅を伸張させる。
【００３９】
また、レーザ光は、回折格子３１，３２を通過すると、例えば、負の波長分散を受ける。この回折格子３１，３２による波長分散Φ−は下式（２）で表される。
【数２】
ω：レーザ光の角周波数（ω＝２πｃ／λ）
ｄｇ：回折格子３１，３２各々の刻線間隔
θ：回折格子３１，３２における光の回折角
ｎ：光学素子２０Ａの媒質固有の屈折率
ｌｇ：回折格子３１，３２間の距離
【００４０】
レーザ光が超短パルス光であった場合、この波長分散Φ−は、同様に、超短パルス光のパルス幅を伸張させる。
【００４１】
本実施形態では、回折格子３１の回折角と回折格子３２への入射角とは等しく、θでなければならない。また、本実施形態では、回折格子３１，３２間の距離ｌｇは、光学素子２０Ａ内部における伝播距離ｌｍに等しい。
【００４２】
このように、光学素子２０Ａの媒質に起因する波長分散Φ＋と回折格子３１，３２に起因する波長分散Φ−とは極性が異なるので、光学素子２０Ａの媒質に起因する波長分散Φ＋を回折格子３１，３２に起因する波長分散Φ−によって補償することができる。
【００４３】
補償方法としては、Φ＋＋Φ−＝０として、光学素子２０Ａの媒質に起因する波長分散Φ＋を回折格子３１，３２に起因する波長分散Φ−によって完全に打ち消してもよく、Φ＋＋Φ−≠０として、光学素子２０Ａの媒質に起因する波長分散Φ＋に加えて、レーザ光発振装置１００（又はレーザ光増幅装置１００Ａ）内の光増幅媒質１０や集光レンズ等の光学素子に起因する波長分散をも含めたレーザ光発振装置１００（又はレーザ光増幅装置１００Ａ）全体の波長分散を、回折格子３１，３２に起因する波長分散Φ−によって打ち消してもよい。
【００４４】
例えば、超短パルス光であるレーザ光を超短パルス光のまま出射したい場合には、Φ＋＋Φ−＝０とすればよい。レーザ光の波長がλ＝０．８μｍであり、光学素子２０Ａの材料が合成石英であるとすると、合成石英の屈折率はｎ＝１．４５３であり、二次屈折率分散は３．９８８×１０−２である。レーザ光が回折格子に対してリトロー配置で入射する場合、Φ＋とΦ−の和をゼロにするためには、上記（１）式及び（２）式より、回折格子３１，３２の刻線本数は１６５．５ｇｒｏｏｖｅｓ／ｍｍとすればよい。
【００４５】
この第１実施形態の光学素子２０Ａによれば、レーザ光の波長分散を補償するための回折格子（波長分散補償手段）３１，３２が、それぞれ、光学素子２０Ａを構成する媒質における入射窓２１及び出射窓２２に一体的に形成されているので、回折格子３１，３２の位置調整が容易である。また、振動などの外部応力による回折格子３１，３２の位置ずれを低減することができる。したがって、第１実施形態の光学素子２０Ａによれば、従来に比してより簡易に、レーザ光の波長分散を補償することが可能となる。
【００４６】
また、回折格子３１，３２の位置精度や間隔精度は、光学素子２０Ａを構成する媒質の形成精度に依存することとなる。光学素子２０Ａを構成する媒質は極めて精度よく形成することができるので、回折格子３１，３２の位置精度や間隔精度を容易に高めることができる。
【００４７】
また、第１実施形態の光学素子２０Ａによれば、光学素子２０Ａを構成する媒質の屈折率が空気の屈折率より大きいので、光学素子２０Ａ内部においてレーザ光が伝播する距離を長くすることができ、光路長を長くすることができる（光路長の長尺化）。また、光学素子２０Ａ内部においてレーザ光を壁面２０ａで複数回反射させながら伝搬させるので、より長い光路長を得ることができる。したがって、レーザ光発振装置１００やレーザ光増幅装置１００Ａなどの光学装置を実現する場合に、空気中で同様の距離をレーザ光が伝播する構成をとる場合と比べて、光学装置の小型化を実現することができる。
【００４８】
また、第１実施形態の光学素子２０Ａによれば、上記（１）式及び（２）式においてｌｍ＝ｌｇであるので、任意の伝搬距離において、Φ＋とΦ−との和をゼロとすることが可能である。すなわち、光路長の長尺化と波長分散補償とを同時に実現することができる。
【００４９】
このように、第１実施形態の光学素子２０Ａによれば、任意の光路長において波長分散補償が可能であるので、光学装置の小型化を実現しつつ、超短パルスレーザ光におけるモード同期を容易に行うことが可能となる。モード同期では、カーレンズモード同期や半導体可飽和吸収体を用いた受動モード同期などが利用できる。半導体可飽和吸収体を用いる場合、半導体可飽和体上で光が集光されている必要があるため、半導体可飽和体に至る光路の途中に凹面鏡を挿入する必要がある。
［第２実施形態］
【００５０】
図４は、本発明の第２実施形態に係る光学素子２０Ｂの構成図である。図４に示す光学素子２０Ｂは、光学素子２０Ａにおいて、回折格子が、出射窓２２に代えて、入射窓２１及び出射窓２２以外の壁面２０ａの一部２３に形成されている構成で、第１実施形態と異なっている。光学素子２０Ｂの他の構成は、光学素子２０Ａと同様である。
【００５１】
壁面２０ａの一部２３には、反射型の回折格子３３が直接加工によって形成された回折格子板が、一体的に貼り付けられている。回折格子板としては、上記した光学素子２０Ａの媒質と同一の材質であることが好ましい。
【００５２】
この反射型の回折格子３３では、金属膜を蒸着するなどして反射率を高めることが好ましい。このとき、回折光が壁面２０ａに対して全反射条件を満たす角度で入射するように設計されることが望ましいが、反射膜に寄るコーティングを施してもよい。
【００５３】
なお、回折格子３３は、直接加工によって、壁面２０ａの一部２３に一体的に形成されてもよい。
【００５４】
この第２実施形態の光学素子２０Ｂでも、第１実施形態の光学素子２０Ａと同様の利点を得ることができる。
【００５５】
第２実施形態の光学素子２０Ｂでは、第１実施形態の光学素子２０Ａと異なり、上記（１）式及び（２）式において、光学素子２０Ｂ内部における伝播距離ｌｍと回折格子３１，３３間の距離ｌｇとが不等になる。この回折格子３１，３３間の距離、すなわち、回折格子３１，３３間の光路長は、回折格子３３の形成位置によって変更可能である。例えば、図４によれば、回折格子３１で回折されたレーザ光が壁面２０ａで全反射した後に回折格子３３に入射しているが、回折格子３１，３３間における壁面２０ａでの全反射回数を減らせば回折格子３１，３３間の間隔ｌｇを短くすることができ、回折格子３１，３３間における壁面２０ａでの全反射回数を増やせば回折格子３１，３３間の間隔ｌｇを長くすることができる。
【００５６】
このように、第２実施形態の光学素子２０Ｂでは、回折格子３３の形成位置によって、回折格子３１，３３間の距離ｌｇを調整することができる。上記（２）式に示すように、回折格子３１，３３による波長分散Φ−の量は回折格子３１，３３間の距離ｌｇに依存するので、第２実施形態の光学素子２０Ｂによれば、回折格子３３の形成位置によって、波長分散の制御を任意に行うことが可能となる。
【００５７】
また、第２実施形態の光学素子２０Ｂでは、回折格子３３の形成位置によって、光学素子２０Ｂ内部における伝播距離ｌｍも調整することができる。超短パルスレーザ光のモード同期を行うためには光共振器間の光路長を調整する必要があるが、第２実施形態の光学素子２０Ｂによれば、回折格子３３の形成位置によって、超短パルスレーザ光におけるモード同期を行うことができると共に、任意の光路長において波長分散補償を任意に行うことが可能となる。
［第３実施形態］
【００５８】
図５は、本発明の第３実施形態に係る光学素子２０Ｃの構成図である。図５に示す光学素子２０Ｃは、光学素子２０Ｂにおいて、回折格子が、入射窓２１に代えて、入射窓２１、出射窓２２及び壁面２０ａの一部２３以外の壁面２０ａの他の一部２４に形成されている構成で、第２実施形態と異なっている。光学素子２０Ｃの他の構成は、光学素子２０Ｂと同様である。
【００５９】
壁面２０ａの他の一部２４には、同様に、反射型の回折格子３４が直接加工によって形成された回折格子板が、一体的に貼り付けられている。回折格子板としては、上記した光学素子２０Ａの媒質と同一の材質であることが好ましい。
【００６０】
なお、回折格子３４は、直接加工によって、壁面２０ａの他の一部２４に一体的に形成されてもよい。
【００６１】
この第３実施形態の光学素子２０Ｃでも、第２実施形態の光学素子２０Ｂと同様の利点を得ることができる。
【００６２】
更に、第３実施形態の光学素子２０Ｃでは、回折格子３３の形成位置に加えて回折格子３４の形成位置によって、回折格子３３，３４間の距離ｌｇ、すなわち、回折格子３３，３４間の光路長を調整することができるので、波長分散の制御をより任意に行うことが可能となる。
【００６３】
更に、第３実施形態の光学素子２０Ｃでは、回折格子３３の形成位置に加えて回折格子３４の形成位置によって、光学素子２０Ｃ内部における伝播距離ｌｍも調整することができるので、超短パルスレーザ光におけるモード同期をより任意に行うことができると共に、任意の光路長において波長分散補償をより任意に行うことが可能となる。
［第４実施形態］
【００６４】
図６は、本発明の第４実施形態に係る光学素子２０Ｄの構成図である。図６に示す光学素子２０Ｄは、光学素子２０Ａにおいて、回折格子が、入射窓２１に代えて、内部の光路の一部２５，２６に形成されている構成で、第１実施形態と異なっている。光学素子２０Ｄの他の構成は、光学素子２０Ａと同様である。
【００６５】
光学素子２０Ｄの内部の光路の一部２５，２６には、それぞれ、直接加工によって、一体的に透過型の回折格子３５，３６が形成されている。近年、レーザ光などを用いて、光透過性を有する媒質の内部に加工を施す技術が研究されている。例えば、この技術を用いれば、光学素子２０Ｄの内部の任意の箇所に回折格子を形成することが可能である。
【００６６】
この第４実施形態の光学素子２０Ｄでも、第１実施形態の光学素子２０Ａと同様の利点を得ることができる。
【００６７】
更に、第４実施形態の光学素子２０Ｄによれば、第３実施形態の光学素子２０Ｃと同様に、回折格子３５，３６の形成位置によって、回折格子３５，３６間の距離ｌｇ、すなわち、回折格子３５，３６間の光路長を調整することができるので、波長分散の制御をより任意に行うことが可能となる。
【００６８】
更に、第４実施形態の光学素子２０Ｄによれば、第３実施形態の光学素子２０Ｃと同様に、回折格子３５，３６の形成位置によって、光学素子２０Ｄ内部における伝播距離ｌｍも調整することができるので、超短パルスレーザ光におけるモード同期をより任意に行うことができると共に、任意の光路長において波長分散補償をより任意に行うことが可能となる。
［第５実施形態］
【００６９】
図７は、本発明の第５実施形態に係る光学素子２０Ｅの構成図である。図７に示す光学素子２０Ｅは、光学素子２０Ａにおいて、回折格子が、入射窓２１及び出射窓２２に代えて、入射窓２１及び出射窓２２以外の壁面２０ａの一部２７であって、光が２回通過する壁面２０ａの一部２７に１つだけ形成されている構成で、第１実施形態と異なっている。
【００７０】
壁面２０ａの一部２７には、第２及び第３実施形態と同様に、反射型の回折格子３７が直接加工によって形成された回折格子板が、一体的に貼り付けられている。回折格子板としては、上記した光学素子２０Ａの媒質と同一の材質であることが好ましい。
【００７１】
なお、回折格子３７は、直接加工によって、壁面２０ａの一部２７に一体的に形成されてもよい。
【００７２】
この第５実施形態の光学素子２０Ｅでも、第１実施形態の光学素子２０Ａと同様の利点を得ることができる。
【００７３】
更に、第５実施形態の光学素子２０Ｅによれば、第２〜第４実施形態の光学素子２０Ｂ〜２０Ｄと同様に、回折格子３７の形成位置によって、回折格子３７間の距離ｌｇ、すなわち、回折格子３７間の光路長を調整することができるので、波長分散の制御をより任意に行うことが可能となる。
【００７４】
更に、第５実施形態の光学素子２０Ｅによれば、第２〜第４実施形態の光学素子２０Ｂ〜２０Ｄと同様に、回折格子３７の形成位置によって、光学素子２０Ｅ内部における伝播距離ｌｍも調整することができるので、超短パルスレーザ光におけるモード同期をより任意に行うことができると共に、任意の光路長において波長分散補償をより任意に行うことが可能となる。
【００７５】
更に、第５実施形態の光学素子２０Ｅによれば、回折格子の数を減らすことができるので、製造が容易となり、低価格化を実現することができる。
［第６実施形態］
【００７６】
図８は、本発明の第６実施形態に係る光学素子２０Ｆの構成図である。図８に示す光学素子２０Ｆは、光学素子２０Ａにおいて、出射窓２２に、回折格子３２に代えて全反射板３８が設けられている構成で、第１実施形態と異なっている。光学素子２０Ｆの他の構成は、光学素子２０Ａと同様である。
【００７７】
窓２２には、全反射板３８が直接加工によって形成された回折格子板が、一体的に貼り付けられている。このようにして、本実施形態では、窓２２はレーザ光の折り返し点に相当し、窓２１は入出射窓に相当する。
【００７８】
この第６実施形態の光学素子２０Ｆでも、第１実施形態の光学素子２０Ａと同様の利点を得ることができる。
【００７９】
更に、第６実施形態の光学素子２０Ｆによれば、光学素子２０Ｆとして同一の面積及び体積を有する媒質を用いても、光路長を２倍にすることができるので、レーザ光発振装置１００やレーザ光増幅装置１００Ａなどの光学装置を実現する場合に、光学装置の更なる小型化を実現することができる。
【００８０】
更に、第６実施形態の光学素子２０Ｆによれば、回折格子の数を減らすことができるので、製造が容易となり、低価格化を実現することができる。
［第７実施形態］
【００８１】
図９は、本発明の第７実施形態に係る光学素子２０Ｇの構成図である。図９に示す光学素子２０Ｇは、光学素子２０Ａにおいて、更に、第３実施形態の光学素子２０Ｃと同様に壁面２０ａの一部２３，２４に反射型の回折格子３３，３４を備えている構成で、第１実施形態と異なっている。光学素子２０Ｇの他の構成は、光学素子２０Ａと同様である。
【００８２】
この第７実施形態に係る光学素子２０Ｇでも、第１実施形態の光学素子２０Ａ及び第３実施形態の光学素子２０Ｃと同様の利点を得ることができる。
【００８３】
更に、第７実施形態の光学素子２０Ｇでは、レーザ光が４回回折されることで、レーザ光の空間的な分光状態も取り去ることができる。レーザ光は回折格子３１により回折され、空間的に広がったレーザ光が回折格子３３によって平行光とされた後に、回折格子３４で一点に収束され、回折格子３２で元のビームサイズに戻される。
【００８４】
回折格子を２枚だけ用いた場合、原理的には回折格子３３の後の平行光は空間的には分光されているが、本構成をとることで光共振器内に光学素子を設置した場合、すなわち光学素子を光が往復する事を前提とした場合、もしくは光の空間的な分光状態が問題にならない場合、いずれでなくとも、光学素子２０Ｇを挿入することができる。光学素子２０Ｇは、入射光及び出射光が同一直線状になるよう配置されることが好ましい。
［第８実施形態］
【００８５】
図１０は、本発明の第８実施形態に係る光学素子２０Ｈの構成図である。図１０に示す光学素子２０Ｈは、光学素子２０Ａにおいて、入射窓２１及び出射窓２２に、回折格子３１，３２に代えてプリズム３９，４０をそれぞれ備える構成で、第１実施形態と異なっている。光学素子２０Ｈの他の構成は、光学素子２０Ａと同様である。
【００８６】
光学素子２０Ｈでは、入射窓２１は、入射光に対して非垂直面を形成し、プリズムの機能を持つように形成され、出射窓２２は、出射光に対して非垂直面を形成し、プリズムの機能を持つように形成されている。このようにして、光学素子２０Ｈでは、入射窓２１及び出射窓２２に、プリズムが一体的に形成されることとなる。
【００８７】
更に、これらの入射窓２１及び出射窓２２は、レーザ光がブリュースター角で入出射するように形成されていることが好ましい。これらの構成によって、プリズム界面における損失を極めて低減することができる。
【００８８】
この第８実施形態の光学素子２０Ｈでも、第１実施形態の光学素子２０Ａと同様の利点を得ることができる。
【００８９】
更に、第８実施形態の光学素子２０Ｈによれば、面取り加工後、入射窓２１及び出射窓２２を研磨するだけでよいので、製造が容易となり、低価格化を実現することが可能となる。
【００９０】
なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では、光学素子２０Ａ〜２０Ｈの媒質の形状が略直方体であったが、光学素子２０Ａ〜２０Ｈの媒質の形状としては略直方体に限定されない。
【００９１】
また、第１〜第７実施形態では、回折格子の形成位置として、入射窓、出射窓、壁面の一部、媒質内部の一部などの一例を示したが、これらの形成位置の組合せとしては様々な組合せが適用可能である。
【００９２】
また、第４実施形態では、光学素子２０Ｄの媒質の内部に回折格子を２つ設ける形態を例示したが、第５実施形態と同様に、光が２回通過する部分に回折格子を１つ設ける形態であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザ光発振装置の構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係るレーザ光増幅装置の構成図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る光学素子の構成図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る光学素子の構成図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る光学素子の構成図である。
【図６】本発明の第４実施形態に係る光学素子の構成図である。
【図７】本発明の第５実施形態に係る光学素子の構成図である。
【図８】本発明の第６実施形態に係る光学素子の構成図である。
【図９】本発明の第７実施形態に係る光学素子の構成図である。
【図１０】本発明の第８実施形態に係る光学素子の構成図である。
【符号の説明】
【００９４】
１００…レーザ光発振装置、１００Ａ…レーザ光増幅装置、２００…種光生成装置、１１０…エネルギ供給部、１２０…光増幅部、１０…光増幅媒質、２０，２０Ａ〜２０Ｈ…光学素子、２０ａ…壁面、２１…入射窓、２２…出射窓、３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７…回折格子（波長分散補償手段）、３８…全反射板、３９，４０…プリズム。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光透過性を有する媒質からなり、空気の屈折率より大きい屈折率を有し、入射するレーザ光を壁面で複数回反射させながら内部を伝搬させる光学素子において、
前記壁面の一部に位置し、前記レーザ光を入射させるための入射窓と、
前記壁面の一部に位置し、内部を伝搬した前記レーザ光を出射させるための出射窓と、
前記媒質の一部に一体的に位置し、前記レーザ光を少なくとも２回透過又は反射させることによって波長分散を補償する波長分散補償手段と、
を備える、光学素子。
【請求項２】
前記波長分散補償手段は、前記媒質の一部に直接加工によって形成されている、
請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記波長分散補償手段は、前記媒質の一部に貼り付けられている、
請求項１に記載の光学素子。
【請求項４】
前記波長分散補償手段は、前記入射窓及び前記出射窓のうちの少なくとも何れか一方に位置し、透過型の波長分散補償手段である、
請求項１〜３の何れか１項に記載の光学素子。
【請求項５】
前記波長分散補償手段は、前記入射窓及び前記出射窓以外の前記壁面に位置し、反射型の波長分散補償手段である、
請求項１〜３の何れか１項に記載の光学素子。
【請求項６】
前記波長分散補償手段は、前記媒質の内部に位置する、
請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項７】
前記波長分散補償手段は回折格子である、
請求項１〜６の何れか１項に記載の光学素子。
【請求項８】
前記波長分散補償手段はプリズムである、
請求項１〜６の何れか１項に記載の光学素子。
【請求項９】
前記入射窓及び前記出射窓は、前記壁面における同一部位に位置する、
請求項１〜６の何れか１項に記載の光学素子。
【請求項１０】
種光を供給するエネルギ供給部と、
前記種光を増幅することによってレーザ光を生成する光増幅媒質と、
前記レーザ光を壁面で複数回反射させながら内部を伝搬させる光学素子であって、請求項１〜９の何れか１項に記載の当該光学素子と、
を備える、レーザ光発振装置。
【請求項１１】
励起光を供給するエネルギ供給部と、
種光を受け、前記励起光を用いて当該種光を増幅することによってレーザ光を生成する光増幅媒質と、
前記レーザ光を壁面で複数回反射させながら内部を伝搬させる光学素子であって、請求項１〜９の何れか１項に記載の当該光学素子と、
を備える、レーザ光増幅装置。
【請求項１】
光透過性を有する媒質からなり、空気の屈折率より大きい屈折率を有し、入射するレーザ光を壁面で複数回反射させながら内部を伝搬させる光学素子において、
前記壁面の一部に位置し、前記レーザ光を入射させるための入射窓と、
前記壁面の一部に位置し、内部を伝搬した前記レーザ光を出射させるための出射窓と、
前記媒質の一部に一体的に位置し、前記レーザ光を少なくとも２回透過又は反射させることによって波長分散を補償する波長分散補償手段と、
を備える、光学素子。
【請求項２】
前記波長分散補償手段は、前記媒質の一部に直接加工によって形成されている、
請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記波長分散補償手段は、前記媒質の一部に貼り付けられている、
請求項１に記載の光学素子。
【請求項４】
前記波長分散補償手段は、前記入射窓及び前記出射窓のうちの少なくとも何れか一方に位置し、透過型の波長分散補償手段である、
請求項１〜３の何れか１項に記載の光学素子。
【請求項５】
前記波長分散補償手段は、前記入射窓及び前記出射窓以外の前記壁面に位置し、反射型の波長分散補償手段である、
請求項１〜３の何れか１項に記載の光学素子。
【請求項６】
前記波長分散補償手段は、前記媒質の内部に位置する、
請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項７】
前記波長分散補償手段は回折格子である、
請求項１〜６の何れか１項に記載の光学素子。
【請求項８】
前記波長分散補償手段はプリズムである、
請求項１〜６の何れか１項に記載の光学素子。
【請求項９】
前記入射窓及び前記出射窓は、前記壁面における同一部位に位置する、
請求項１〜６の何れか１項に記載の光学素子。
【請求項１０】
種光を供給するエネルギ供給部と、
前記種光を増幅することによってレーザ光を生成する光増幅媒質と、
前記レーザ光を壁面で複数回反射させながら内部を伝搬させる光学素子であって、請求項１〜９の何れか１項に記載の当該光学素子と、
を備える、レーザ光発振装置。
【請求項１１】
励起光を供給するエネルギ供給部と、
種光を受け、前記励起光を用いて当該種光を増幅することによってレーザ光を生成する光増幅媒質と、
前記レーザ光を壁面で複数回反射させながら内部を伝搬させる光学素子であって、請求項１〜９の何れか１項に記載の当該光学素子と、
を備える、レーザ光増幅装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−９３０７８（Ｐ２０１０−９３０７８Ａ）
【公開日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２６２１０４（Ｐ２００８−２６２１０４）
【出願日】平成２０年１０月８日（２００８．１０．８）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月８日（２００８．１０．８）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
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