短パルスレーザ装置
好ましくは受動モード同期の短パルスレーザ装置（１１）であって，レーザ結晶（１４）と，ポンプビーム注入ミラー（Ｍ１)及びレーザビーム分離ミラーを形成するいくつかのミラー（Ｍ１〜Ｍ７，ＯＣ）とを含む共振器（１２）を備え，また共振器長を増加させる多重反射望遠鏡（１８）を備える。動作中，共振器（１２）は特定波長周波数範囲で正の平均分散を有する。共振器（１２）の正の平均分散は，共振器（１２）の少なくともいくつかは分散ミラーとして具現化されているミラー（Ｍ１〜Ｍ７，ＯＣ）によって調整される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，好ましくは受動モード同期の短パルスレーザ装置に関し，それは，レーザ結晶と，一つはポンプビーム入射結合ミラーであり，もう一つはレーザビーム射出結合器である複数のミラーを含む共振器と，前記共振器長を拡大する多重反射望遠鏡とを備え，前記共振器は，動作中関連する波長に対して正の平均分散を持つ。
【背景技術】
【０００２】
近年，研究及び産業において，パルスピーク強度が１ＭＷを超えるフェムト秒範囲の極めて短いパルス幅のための有利なアプリケーションが可能になったので，短パルスレーザ装置が注目を集めている。例えば，フェムト秒範囲のパルス幅を持つような短パルスレーザ装置は，電磁放射と物質との間の相互作用の時間分解調査に用いることができる。パルス幅が例えば１０ｆｓ（フェムト秒）でエネルギが１００ｎＪ，またパルス繰り返しレートが例えば１０ＭＨｚオーダであるレーザパルスを発生するレーザ装置が望まれる。従来のチタニウム−サファイアフェムト秒レーザでフェムト秒範囲の初期のレーザ装置に比べて，比較的パルス繰り返しレートが低い（例えば約１００ＭＨｚではなく，数ＭＨｚのオーダ）ことが望まれる。何故なら，多くのアプリケーションにとって，１０13Ｗ／ｃｍ2より大きい範囲でより高いパルスピーク強度が得られるからである。純粋に計算上は，そのような比較的低い繰り返しレートは，逆にレーザ共振器内では比較的長いパルス往復時間となることを意味する。それは，共振器長が，例えば２ｍから１６ｍに増加し，それによりレーザ装置の寸法が増加することを必然的に伴う。
【０００３】
Ｄ．Ｈｅｒｒｉｏｔｔ ｅｔ ａｌ．による初期の検討”Off-Axis Paths in Spherical Mirror Interferometers"，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，１９６４年４月，３巻，４号，ｐｐ．５２３−５２６に基づいて，”多重反射”望遠鏡，又は短く”望遠鏡”と呼ばれる，”多重経路”共振器部によるレーザ装置内のパルス往復時間の拡大が，既に提案されている。比較として，例えばＡＴ−Ａ−７６３／２００２，Ｓ．Ｈ．Ｃｈｏ ｅｔ ａｌ． ，”Generation of 90-nJ pulses with a 4-MHz repetition-rate Kerr-lens mode-locked Ti:Al2O3 laser operating with net positive and negative intracavity dispersion”，Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ２００１年４月１５日，２６巻，８号，ｐｐ．５６０−５６２，及びＡ．Ｐｏｐｐｅ ｅｔ ａｌ．，”A Sub-10 fs, 2.5-MW Ti:Sappire Oscillator”，Ｕｌｔｒａｆａｓｔ Ｏｐｔｉｃｓ １９９９，ｐｐ．１５４−１５７，Ａｓｃｏｎａ，スイス（１９９９年），を参照されたい。そのような望遠鏡により，対向して配置されたミラーによる複数の反射により，多重経路によって組み立て上有利な方法でパルス往復時間を増加させることが可能になり，それによって繰り返しレートを例えば約１００ＭＨｚから数ＭＨｚに減少させることができるようになる。これにより，往復で射出結合したパルス部のエネルギ成分を適切に増加させる，すなわち平均出力強度を変化させないことが可能になり，際立って増加した出力パルスエネルギ及びピーク強度が達成できる。
【０００４】
しかし，この観点で，非線形光学効果は不利で制限があることが分かり，その影響はレーザ結晶内の高いピーク強度により生じ，共振器内で周回している比較的高エネルギの光パルスをいくつかの弱いパルスに分離させることにつながる。これは（負の）共振器分散の量を増加させることによって減少させることができるが，しかしそれは必然的に，達成できるバンド幅の減少と，際立って長いパルス幅につながる。反対に，前述の記事，Ｓ．Ｈ．Ｃｈｏ ｅｔ ａｌ． ，”Generation of 90-nJ pulses with a 4-MHz repetition-rate Kerr-lens mode-locked Ti:Al2O3 laser operating with net positive and negative intracavity dispersion”は，レーザ装置を，全体として正の分散を持ち，高度にチャープした（ｃｈｉｒｐｅｄ）パルスがピコ秒の範囲を形成，すなわち際立ってピーク強度が減少したパルスを形成するように動作させることができることを既に示唆している。外部に設定された，すなわち共振器の外にある，いわゆる”圧縮器”（プリズム，格子，ミラー，又はそれらの組合せを備える）により，パルスはその後，数フェムト秒に再度圧縮することができ，ピーク強度が増加する。Ｓ．Ｃｈｏ ｅｔ ａｌ．による前述の文書によれば，この動作状態で，（比較的小さな）スペクトル帯域幅１９ｎｍ及びパルス幅８０ｆｓが達成された。共振器内で，分散制御のために２個のプリズムが用いられた。
【０００５】
しかし，調査により，より大きな帯域幅，それ故より短いパルスを得るために，共振器内の最終的な全体分散が，所望のスペクトル範囲に渡ってできる限り一定である必要があることが示されている。しかし，２個のプリズムはまた，必然的により高次の分散（すなわち，二次分散（ＧＤＤ）が帯域幅に渡って一定でない）をもたらし，また求めるより短いパルス及びより大きな帯域幅を発生させるには，既知の装置は実際適切ではないことが示されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は，このことの救済策を提供し，求める短レーザパルス及び所望の大きな帯域幅を効率よく達成できる，初めに定義した種類の短パルスレーザ装置を提供することにある。初めに定義した種類の本発明の短パルスレーザ装置は，共振器の正の平均分散の調整を，少なくともいくつかが，それ自体は既知の方法で分散性ミラーとして設計されている共振器のミラーによって行うことを特徴とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
さまざまな誘電性で分散性のミラーを組み合わせることにより，本発明による短パルスレーザ装置は，与えられるレーザ周波数全体に渡ってほとんど任意の分散特性（ｃｏｕｒｓｅ）を得ることができるようになる。また，それ自体は既知であるが，複数の誘電性層からなるミラー（その構造及び効果はこの後，より詳細に説明される）を，素材の選択及び層厚の選択に基づいて，どの場合においても問題の波長範囲で所望の分散を得られるように設計することができるようになる。したがって，その後にすべてのレーザ部品の合計分散値，すなわちレーザ結晶，共振器内の空気，ミラー及び任意の可能性のある付加部品の分散に起因する共振器の合計分散を調整することができる。それにより，パルスが共振器内で高度にチャープし，それ故ピーク強度が低下するように，パルススペクトルのスペクトル範囲に渡って平均された合計分散値を正の値にする。特に，広い波長範囲に渡って合計分散を許容範囲内の正の分散範囲に保つこともでき，それにより比較的大きな帯域幅，したがって非常にわずかなフーリエ限界パルス幅が達成される。これは，示唆された分散性ミラーを用いる非常に単純な方法で可能であり，ここで，避けがたい変動を伴う異なる分散特性を持つ個々のミラーが，求める目的にしたがって組み合わされ，それで全体の分散特性が，例えば２８０ｎｍを超える波長範囲に渡って達成される。分散動作においてわずかな変動を示す適切に設計された分散性ミラーによって，より大きな波長範囲で選択された許容範囲内，又は予め定められた許容範囲内の合計分散特性が得られる。
【０００８】
可能な限り大きな帯域幅を保証するために，もし例えば０〜１００ｆｓ2の範囲，特に０〜５０ｆｓ2の範囲で平均分散がわずかに正であるように正の合計分散範囲が選ばれていれば，これもまた有利であることが分かる。
【０００９】
分散の制御のためには，原理的には共振器の個々のミラーだけが用いられる。すべての可能な調整を最適に利用するため，共振器のすべてのミラーは，好ましくは負の分散を持つ分散性ミラーとして設計されるのが有利である。さらに，この理由により，多重反射望遠鏡のミラーもまた，好ましくは負の分散を持つ分散性ミラーとして与えられる。
【００１０】
多くの場合，補助的な分散の微調整のために，例えば近接して配置され反対方向を向いた，それ自身は既知の２個のガラスくさびによって，共振器内に（小さな）可変量の正の分散を導入することも適当である。
【００１１】
共振器の所望の正の最終的な分散を調整するために，原理的には示唆された分散性のミラーと２個のプリズムとの組合せの利用が考えられるが，それでも，一般には分散性ミラーだけを使い，選択的に前述のガラスくさびを共に使う，分散制御が好まれる。
【００１２】
好ましい受動モード同期のために（本発明の範囲内で，原理的には能動モード同期も考えられる），本発明の短パルスレーザ装置ではそれ自身は既知の”カー（Ｋｅｒｒ）レンズモード同期”原理が用いられ，更にそれ自身はまた既知であるが，可飽和吸収器がまた用いられる。可飽和吸収器は，共振器内のビーム経路に配置され，更に好ましくは共振器の最終ミラーがまた可飽和吸収器−反射器として用いられる。
【００１３】
本発明の短パルスレーザ装置は，素材処理の分野で特に有利に用いることができる。そこではますます微細化が進んでおり，微細構造が正確さと高速さをもって製造されなければならない。高出力パルスエネルギ及び高繰り返しレートを可能にする本発明の短パルスレーザ装置は，このために理想的に用いることができる。本発明の短パルスレーザ装置は，破壊しきい値（すなわち，素材破壊のしきい値エネルギ）のわずか上で動作することが可能であり，前記の高繰り返しレート及び発生される複数のパルスにより，高アブレーションレート及びそれにもかかわらず精密な処理が達成できる。
【実施例】
【００１４】
次に，図面に示された好ましい例としての実施例を用いて本発明を更に説明する。しかし，本発明はその例に制限されるものではない。図１に短パルスレーザ装置１１が概略図として示されている。そこでは，例えば，それ自身は既知のカーレンズモード同期原理が短パルスを発生するのに用いられる。
【００１５】
図１のレーザ装置１１は，共振器１２を備え，ポンプビーム１３が例えば２逓倍固体レーザなどのポンプレーザから共振器に供給される。ポンプレーザそれ自身は簡略化のため図１では省略されており，また先行技術の一部である。
【００１６】
レンズＬ１及びダイクロイックミラーＭ１を通過した後，ポンプビーム１３はこの例ではチタニウム−サファイア（ＴＩ：Ｓ）固体レーザ結晶であるレーザ結晶１４を励起する。ダイクロイックミラーＭ１はポンプビーム１３を透過させるが，それでもなおＴｉ：Ｓレーザビームに対して高反射性である。レーザビーム１５（共振器ビーム）は，次にレーザミラーＭ２に当たり，後者によってレーザミラーＭ３に向けて反射される。このレーザミラーＭ３はまた，レーザビームをレーザミラーＭ４に向けて反射し，そこからレーザビーム１５は逆にレーザミラーＭ３，Ｍ２，Ｍ１へ反射され，レーザ結晶１４を再度通過する。共振器のミラーＭ２，Ｍ３及びＭ４の部分は，いわゆる短共振器アーム（ａｒｍ）１６を形成している。
【００１７】
ミラーＭ１からレーザビーム１５が次にレーザミラーＭ５へ反射され，そこからレーザミラーＭ６とさらにレーザミラーＭ７とに反射され，そこで第２の長共振器アーム１７を形成している。レーザミラーＭ７からレーザビーム１５は図１に単に概略として示されている望遠鏡１８に入り，そこから射出結合ミラーＯＣとして働く最終ミラーに届く。この射出結合ミラーＯＣを介して，レーザビーム１５の一部が，補正の可能性のために，図１に例として示されている補正プレートレット（ＣＰ）に射出される。
【００１８】
レーザ結晶１４は光学的に非線形であり，レーザビーム１５がより高いフィールド強度のときはより大きい実効光学厚みを持ち，一方レーザビームのフィールド強度又は強度がより低いときはより小さい実効厚みを持つ，カーエレメントを形成する平面−平行体である。このそれ自体は既知のカー効果がレーザビーム１５の自己集束に用いられる。すなわち，レーザ結晶１４がレーザビーム１５のための集束レンズを形成する。さらに，モード同期はそれ自体は従来の方法，例えば図１及び２には示されていないアパーチャによって実現される（例えば，ＡＴ ４０５ ９９２ Ｂを参照）。しかし，それはまた，最終ミラーの一つ，例えばＭ４を可飽和ブラッグ（Ｂｒａｇｇ）反射器又は可飽和吸収器として設計し，モード同期のために用いることも考えられる。
【００１９】
ミラーＭ１，Ｍ２・・・Ｍ７は，薄膜テクニックで実現される。すなわち，それらはそれぞれ，大きなスペクトル帯域幅を持つ極短レーザパルスを反射するときその機能を発揮する多くの層から成り，”あつらえの”分散をもたらす。これらのミラーは共振過程（Ｇｉｒｅｓ Ｔｏｕｒｎｏｉｓ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ， ＧＴＩ），又はチャープミラー（Ｃｈｉｒｐｅｄ ｍｉｒｒｏｒ）のいずれかを利用する。これらにより，レーザビーム１５の異なる波長成分がそれぞれのミラーで反射される前に，層の異なる深さまで侵入する。これによって，異なる波長成分は反射ミラーで異なる時間遅延する。例えば短波長成分はさらに外側で（すなわち，表面に向かって）反射され，長波長成分はミラーの内部深くで反射される。これにより，長波長成分は短波長成分に比べ，一時的に遅延する。このように，特に短い時間範囲（好ましくは１０ｆｓ以下の範囲）を持つパルスが広い周波数スペクトルを持つ限りにおいて，分散補正が可能である。これは，レーザビーム１５の異なる周波数成分が，レーザ結晶１４中の異なる屈折係数に”出会う”，すなわちレーザ結晶１４の光学的厚みが異なる周波数成分に対しては異なり，また異なる周波数成分はそのためレーザ結晶１４を通過するとき異なった時間だけ遅延する事実による。この効果は，薄膜レーザミラーＭ１，Ｍ２・・・Ｍ７における前述の分散補正により，打ち消される。
【００２０】
既に述べたように，動作中，レーザビーム１５が短共振器アーム１６及び長共振器アーム１７をそれぞれ往復する間に，レーザパルスの一部（例えば３０％）が射出結合ミラーＯＣによって射出結合される。実際上，レーザ共振器１２の長さは望遠鏡１８なしで約２ｍであり，そこで例えば繰り返しレート周波数７５〜１００ＭＨｚ，例えば８０ＭＨｚが得られる。より高いパルスピーク強度，すなわちパルスエネルギを得るために，往復時間を増加させ，それにより繰り返しレートを減少させ，例えばこのレーザ装置１１を素材処理に使うことを目的として，レーザ共振器１２の長さは，望遠鏡１８を備えることにより増加する。合計共振器長を８倍に増加した場合，すなわち例えば共振器長が約１５又は１６ｍのとき，繰り返しレートを例えば約１０ＭＨｚにすることができる。レーザパルスのためのこのような長い経路長を得るため，望遠鏡１８内のミラーは，望遠鏡１８の組み立て長を多重反射によって短くできるように，レーザビーム１５の多重反射が得られるように配置される。
【００２１】
図２は，長方形の据付盤１９上に載せられている図１に従うようなレーザ装置１１を示しており，盤は例えば９００ｍｍ×４５０ｍｍのサイズである。この据付盤１９上に，図１の破線で囲った部分のレーザ共振器１２の部分２０がハウジングにカプセル化されて取り付けられており，更にまたポンプレーザ２１が据付盤１９上に配置され，そこからポンプビーム１３が２個のミラー２２，２３を介してレーザ共振器２０に供給されている。この共振器部２０から，レーザビーム１５がレーザミラーＭ６の方向に射出され，前述のようにそこからレーザミラーＭ７へ反射される。そこからレーザビーム１５は望遠鏡１８に入射され，望遠鏡１８内には入射結合ミラー２４が，例えばハウジング内の，２個の対向して配置された望遠鏡ミラー２５，２６の間のいくつかのビーム経路の一つに配置される。この入射結合ミラー２４はレーザビーム１５を，図２の左手にある平面望遠鏡ミラー２５に向けて反射し，平面鏡は次にレーザビーム１５を対向して配置された凹面望遠鏡ミラー２６に向けて反射する。この２個の望遠鏡ミラー２５，２６の間でレーザビーム１５は次に何回か，例えば８回，前後に反射され，この例では凹面望遠鏡ミラー２６で合計８回の反射点は，８回のレーザビーム反射に伴って凹面ミラー２６の中心の周りの仮想的な円上に位置する。これはまた，ＡＴ−Ａ−７６３／２００２に更に詳細に説明されている。
【００２２】
最後に，レーザビーム１５は入射結合ミラー１４の近傍に配置された望遠鏡射出結合ミラー２７によって，望遠鏡１８から射出結合される。また，後者と同じビーム経路で，前記の射出結合ミラーがレーザビーム１５を更なるミラー２８へ反射し，そこからレーザビーム１５はミラー２９を介して射出結合ミラーＯＣへ届く。これらのミラー２８，２９（及び，同様にミラー２２〜２７）は，簡素化のために図１には示されていない。
【００２３】
レーザパルス往復時間が延長された短パルスレーザ装置における重要な観点は，レーザ発信の安定性であり，個々のミラーで起きるレーザビーム断面像を考慮して，適切な適応がされなければならない。産業応用，すなわち素材処理の場合，のために特に重要な更なる意義深い観点は，レーザデバイス１１が小形なことである。前述の寸法，例えば９００ｍｍ×４５０ｍｍは，産業用の従来のレーザデバイスに対応するものであり，ここでは個別組み立てユニットを形成している望遠鏡部１８が追加で備えられ（図２参照），それで所望の長いレーザビーム１５の往復時間と，それによるより高いパルスエネルギが寸法の増加なしに達成できている。求められるものは，従前のような１０ｎＪ未満ではなく，数百ｎＪのオーダのパルスエネルギである。それで，２ＭＷを超えるピークパルス出力を得ることができる。
【００２４】
しかし実際には，高いピーク強度のためにレーザ結晶において非線形光学効果が生じることが示されており，それは増加した出力パルスエネルギ又はピーク出力を一定の平均出力強度で得るという所望の効果に制約となることが分かっている。特に，前記の非線形光学効果は，レーザ装置の共振器において周回している高エネルギレーザパルスが，より低い強度のいくつかのパルスに分離されることにつながる。これを打ち消すために，レーザ発振器又はレーザ共振器を最終的に正の分散となる範囲で動作させるのが適当であり，その場合高度にチャープしたパルスは際立って減少したピーク強度を持つピコ秒範囲のものとなる。先行技術（初めに示したＳ．Ｃｈｏ ｅｔ ａｌ．を参照）では，この場合，レーザパルスを共振器の外部で，プリズム，格子又はミラー，若しくはそれらの組合せにより作られた”圧縮器”によって数ｆｓのパルス幅に再度圧縮し，それによりピーク強度が再度増加させることが示唆されている。共振器における分散の全体的調整のために，この先行技術では２個のプリズムが用いられている。
【００２５】
しかし，より短いパルス及びそれに伴うより大きい帯域幅を得るために，共振器における全体の分散を関係するスペクトル範囲（すなわち関係する帯域幅）に渡って可能な限り一定に保つ必要があり，そこでもし全体の分散がわずかに正，すなわちゼロよりわずかに上，量を特定するならば数１０ｆｓ2，ならば更に有利であることが示されている。しかし，先行技術において見られるように，２個のプリズムにより得られる共振器は高次の分散を必然的に生じ，それで求める帯域幅に渡る所望の一定値を得ることができない。このことは，溶融シリカでできたプリズムで実現された圧縮器の分散特性を示している図３から明らかである。７００〜９００ｎｍの波長範囲において，分散ＧＤＤ（ＧＤＤ：群遅延分散）が−２５０ｆｓ2の下から−５０ｆｓ2のわずかに下まで変化し，約８５０ｎｍで最大値−５０ｆｓ2超となることが分かる。このように，示されたスペクトル範囲で，ＧＤＤの変動が２００ｆｓ2を超えている。そのような分散特性では，求める短レーザパルスを作り出すことはできない。
【００２６】
しかし本発明の短パルスレーザ装置１１においては，さまざまな誘電性ミラー，例えばＭ１〜Ｍ７によって，また選択的に望遠鏡ミラー２６，２７にもよって，分散の調整が行われ，そこで層構造及び層厚の点で適切に作られた，それ自身は既知の分散性ミラーが，共振器１２全体の所望の正の最終的な分散を調整するためにレーザ装置１１の残りのエレメントと結合されている。その際，図４のハッチした範囲に概略示されているように，分散は０〜１００ｆｓ2，好ましくは０〜５０ｆｓ2の範囲に保たれ，そこでカーブＡは，本発明の実践的な例としての実施例における分散特性を示している。比較のために，図４には，先行技術に従い分散制御のために２個のプリズムを用いる（Ｓ．Ｃｈｏ ｅｔ ａｌ．参照）とき得られる分散特性がカーブＢによって示されている。レーザ共振器１２の残りの構成部品と組み合わせることにより，分散特性が図３に概略図示されている２個のプリズムはカーブＢで示された最終的分散特性を示し，求める範囲，すなわち０ｆｓ2と５０ｆｓ2との間に分散が収まるのは，約１８０ｎｍの帯域幅だけであることが分かる。一方，カーブＡの分散は，６８０〜９６０ｎｍの図示されたすべてのスペクトル範囲で，すなわち少なくとも２８０ｎｍ，一般にはより大きい帯域幅の範囲で，求める範囲，すなわち０〜５０ｆｓ2以内である。カーブＢに関してはさらに，溶融シリカでできたプリズムは比較的わずかな高次分散によって既に特徴付けられており，それ故，既に最適化されていると考えなければならないが，しかし結果は分散性ミラーを用いた本発明の分散調整の場合に比べてまだ相当に貧弱であることに言及しなければならない。
【００２７】
分散制御のために分散性ミラーを用いることにより，共振器１２内に他の構成部品によってもたらされる正の分散を打ち消すために要求される負の分散が得られる。このように，例えばレーザ結晶１４が，共振器１２内に含まれる空気と同様に正の分散をもたらす。別の選択として，例として図１に示すように，２個の可変の，すなわち調整可能なガラスくさび３０を共振器１２内に，例えば望遠鏡１８の前に，追加の正の分散を得るために配置してもよい。ここで，２個のガラスくさび３０は溶融シリカでできていてもよい。
【００２８】
本発明の短パルスレーザ装置１１では，パルスを再度，数ｆｓのパルス幅に圧縮するために，パルスが共振器内でチャープされた後，図１，２に示されたように外部の”圧縮器”３１が用いられる。圧縮器もまた，据付盤１９に据え付けられる（図２参照）が，また望遠鏡１８と同様に別個の組み立てユニットを形成していてもよい。図１及び２に，プリズム３２，３３で作られたこの”圧縮器”３１が概略示されている。詳細に見て取れるように，射出結合ミラーＯＣを介して射出結合されたレーザビームは，ミラー３４でミラー３５へ反射され，ミラー３５は次にレーザビームを２個の前述のプリズム３２，３３へ反射し，そこでレーザビームはまず前方に進む間（図１及び２では左に），最終ミラー３６で反射されるまで扇状に広げられる。レーザビームがプリズム３３及び３２を通って反対に進むとき，スペクトル内の異なる波長と，それに対応する異なる伝播時間とのために以前に広げられたレーザビームは再度束ねられ，その経路は前方に進むレーザビームに対してわずかにオフセットしており，これにより図１の矢印３７で示されるようにミラー３５を過ぎて射出結合される。
【００２９】
具体的な例としての実施例では，個々のエレメント及び共振器１２全体に対して，示された波長７００ｎｍ，８００ｎｍ及び９００ｎｍにおいて次の表に示された分散値が得られている。
【表１】
【００３０】
ここで考慮した例では，レーザ結晶１４として厚さ３ｍｍのチタニウム−サファイア結晶が用いられており，それは上述のように２回往復すると合計６ｍｍの厚さを考慮しなければならないことを意味する。そのほか，射出結合ミラーＯＣからそこへ戻るまでの２回の往復はまた，すべての他のエレメントに関係する。
【００３１】
１０ＭＨｚの繰り返しレートを持つ例としての共振器１２は，全往復で１５ｍの長さがあり，そのため共振器１２内の空気による分散を考慮に入れなければならない。
【００３２】
望遠鏡１８においては，各通過当たり，及び望遠鏡ミラー２５又は２６当たり，８回の反射を考慮に入れなければならない。
【００３３】
正の分散を付加的にもたらす共振器１２内のガラスくさび３０は厚さ１２ｍｍであり，すなわち２回の通過で合計２４ｍｍを考慮しなければならない。
【００３４】
さらに分散調整のために，適切なミラー設計がされた６個の分散性ミラーＭ６，Ｍ７，２４，２７，２８及び２９が特に使われる。
【００３５】
図５は実際のテスト設定で測定された信号の自己相関の図であり，信号強度（任意単位）が時間（同じく任意単位）に対して示され，パルス幅２７ｆｓがそれから計算できる。
【００３６】
図６は，関連するスペクトラムが示されており，今度はｎｍ単位の波長λに対して，信号強度がここでも任意単位で示されている。
【００３７】
この例で得られたパルスエネルギは２００ｎＪよりも大きく，繰り返しレートは１１ＭＨｚ，波長範囲Δλは約４０ｎｍであった。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の望遠鏡を持つ短パルスレーザ装置の構造を示す図である。
【図２】据え付け盤に配置された短パルスレーザ装置を示し，また望遠鏡領域のレーザビームの入射結合及び射出結合が概略示されている。
【図３】先行技術の２個のプリズムによる分散特性を示す。
【図４】二つのカーブＡ，Ｂがそれぞれ，本発明の短パルスレーザ装置（カーブＡ）と，共振器に負の分散をもたらすためにいわゆる溶融シリカプリズムが用いられた先行技術のレーザ装置の特性（カーブＢ）とを示す。
【図５】自己相関測定結果を任意単位の信号強度対時間（これも任意単位）で示す。
【図６】図５に示す測定された自己相関に対応するスペクトルを示す。
【技術分野】
【０００１】
本発明は，好ましくは受動モード同期の短パルスレーザ装置に関し，それは，レーザ結晶と，一つはポンプビーム入射結合ミラーであり，もう一つはレーザビーム射出結合器である複数のミラーを含む共振器と，前記共振器長を拡大する多重反射望遠鏡とを備え，前記共振器は，動作中関連する波長に対して正の平均分散を持つ。
【背景技術】
【０００２】
近年，研究及び産業において，パルスピーク強度が１ＭＷを超えるフェムト秒範囲の極めて短いパルス幅のための有利なアプリケーションが可能になったので，短パルスレーザ装置が注目を集めている。例えば，フェムト秒範囲のパルス幅を持つような短パルスレーザ装置は，電磁放射と物質との間の相互作用の時間分解調査に用いることができる。パルス幅が例えば１０ｆｓ（フェムト秒）でエネルギが１００ｎＪ，またパルス繰り返しレートが例えば１０ＭＨｚオーダであるレーザパルスを発生するレーザ装置が望まれる。従来のチタニウム−サファイアフェムト秒レーザでフェムト秒範囲の初期のレーザ装置に比べて，比較的パルス繰り返しレートが低い（例えば約１００ＭＨｚではなく，数ＭＨｚのオーダ）ことが望まれる。何故なら，多くのアプリケーションにとって，１０13Ｗ／ｃｍ2より大きい範囲でより高いパルスピーク強度が得られるからである。純粋に計算上は，そのような比較的低い繰り返しレートは，逆にレーザ共振器内では比較的長いパルス往復時間となることを意味する。それは，共振器長が，例えば２ｍから１６ｍに増加し，それによりレーザ装置の寸法が増加することを必然的に伴う。
【０００３】
Ｄ．Ｈｅｒｒｉｏｔｔ ｅｔ ａｌ．による初期の検討”Off-Axis Paths in Spherical Mirror Interferometers"，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，１９６４年４月，３巻，４号，ｐｐ．５２３−５２６に基づいて，”多重反射”望遠鏡，又は短く”望遠鏡”と呼ばれる，”多重経路”共振器部によるレーザ装置内のパルス往復時間の拡大が，既に提案されている。比較として，例えばＡＴ−Ａ−７６３／２００２，Ｓ．Ｈ．Ｃｈｏ ｅｔ ａｌ． ，”Generation of 90-nJ pulses with a 4-MHz repetition-rate Kerr-lens mode-locked Ti:Al2O3 laser operating with net positive and negative intracavity dispersion”，Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ２００１年４月１５日，２６巻，８号，ｐｐ．５６０−５６２，及びＡ．Ｐｏｐｐｅ ｅｔ ａｌ．，”A Sub-10 fs, 2.5-MW Ti:Sappire Oscillator”，Ｕｌｔｒａｆａｓｔ Ｏｐｔｉｃｓ １９９９，ｐｐ．１５４−１５７，Ａｓｃｏｎａ，スイス（１９９９年），を参照されたい。そのような望遠鏡により，対向して配置されたミラーによる複数の反射により，多重経路によって組み立て上有利な方法でパルス往復時間を増加させることが可能になり，それによって繰り返しレートを例えば約１００ＭＨｚから数ＭＨｚに減少させることができるようになる。これにより，往復で射出結合したパルス部のエネルギ成分を適切に増加させる，すなわち平均出力強度を変化させないことが可能になり，際立って増加した出力パルスエネルギ及びピーク強度が達成できる。
【０００４】
しかし，この観点で，非線形光学効果は不利で制限があることが分かり，その影響はレーザ結晶内の高いピーク強度により生じ，共振器内で周回している比較的高エネルギの光パルスをいくつかの弱いパルスに分離させることにつながる。これは（負の）共振器分散の量を増加させることによって減少させることができるが，しかしそれは必然的に，達成できるバンド幅の減少と，際立って長いパルス幅につながる。反対に，前述の記事，Ｓ．Ｈ．Ｃｈｏ ｅｔ ａｌ． ，”Generation of 90-nJ pulses with a 4-MHz repetition-rate Kerr-lens mode-locked Ti:Al2O3 laser operating with net positive and negative intracavity dispersion”は，レーザ装置を，全体として正の分散を持ち，高度にチャープした（ｃｈｉｒｐｅｄ）パルスがピコ秒の範囲を形成，すなわち際立ってピーク強度が減少したパルスを形成するように動作させることができることを既に示唆している。外部に設定された，すなわち共振器の外にある，いわゆる”圧縮器”（プリズム，格子，ミラー，又はそれらの組合せを備える）により，パルスはその後，数フェムト秒に再度圧縮することができ，ピーク強度が増加する。Ｓ．Ｃｈｏ ｅｔ ａｌ．による前述の文書によれば，この動作状態で，（比較的小さな）スペクトル帯域幅１９ｎｍ及びパルス幅８０ｆｓが達成された。共振器内で，分散制御のために２個のプリズムが用いられた。
【０００５】
しかし，調査により，より大きな帯域幅，それ故より短いパルスを得るために，共振器内の最終的な全体分散が，所望のスペクトル範囲に渡ってできる限り一定である必要があることが示されている。しかし，２個のプリズムはまた，必然的により高次の分散（すなわち，二次分散（ＧＤＤ）が帯域幅に渡って一定でない）をもたらし，また求めるより短いパルス及びより大きな帯域幅を発生させるには，既知の装置は実際適切ではないことが示されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は，このことの救済策を提供し，求める短レーザパルス及び所望の大きな帯域幅を効率よく達成できる，初めに定義した種類の短パルスレーザ装置を提供することにある。初めに定義した種類の本発明の短パルスレーザ装置は，共振器の正の平均分散の調整を，少なくともいくつかが，それ自体は既知の方法で分散性ミラーとして設計されている共振器のミラーによって行うことを特徴とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
さまざまな誘電性で分散性のミラーを組み合わせることにより，本発明による短パルスレーザ装置は，与えられるレーザ周波数全体に渡ってほとんど任意の分散特性（ｃｏｕｒｓｅ）を得ることができるようになる。また，それ自体は既知であるが，複数の誘電性層からなるミラー（その構造及び効果はこの後，より詳細に説明される）を，素材の選択及び層厚の選択に基づいて，どの場合においても問題の波長範囲で所望の分散を得られるように設計することができるようになる。したがって，その後にすべてのレーザ部品の合計分散値，すなわちレーザ結晶，共振器内の空気，ミラー及び任意の可能性のある付加部品の分散に起因する共振器の合計分散を調整することができる。それにより，パルスが共振器内で高度にチャープし，それ故ピーク強度が低下するように，パルススペクトルのスペクトル範囲に渡って平均された合計分散値を正の値にする。特に，広い波長範囲に渡って合計分散を許容範囲内の正の分散範囲に保つこともでき，それにより比較的大きな帯域幅，したがって非常にわずかなフーリエ限界パルス幅が達成される。これは，示唆された分散性ミラーを用いる非常に単純な方法で可能であり，ここで，避けがたい変動を伴う異なる分散特性を持つ個々のミラーが，求める目的にしたがって組み合わされ，それで全体の分散特性が，例えば２８０ｎｍを超える波長範囲に渡って達成される。分散動作においてわずかな変動を示す適切に設計された分散性ミラーによって，より大きな波長範囲で選択された許容範囲内，又は予め定められた許容範囲内の合計分散特性が得られる。
【０００８】
可能な限り大きな帯域幅を保証するために，もし例えば０〜１００ｆｓ2の範囲，特に０〜５０ｆｓ2の範囲で平均分散がわずかに正であるように正の合計分散範囲が選ばれていれば，これもまた有利であることが分かる。
【０００９】
分散の制御のためには，原理的には共振器の個々のミラーだけが用いられる。すべての可能な調整を最適に利用するため，共振器のすべてのミラーは，好ましくは負の分散を持つ分散性ミラーとして設計されるのが有利である。さらに，この理由により，多重反射望遠鏡のミラーもまた，好ましくは負の分散を持つ分散性ミラーとして与えられる。
【００１０】
多くの場合，補助的な分散の微調整のために，例えば近接して配置され反対方向を向いた，それ自身は既知の２個のガラスくさびによって，共振器内に（小さな）可変量の正の分散を導入することも適当である。
【００１１】
共振器の所望の正の最終的な分散を調整するために，原理的には示唆された分散性のミラーと２個のプリズムとの組合せの利用が考えられるが，それでも，一般には分散性ミラーだけを使い，選択的に前述のガラスくさびを共に使う，分散制御が好まれる。
【００１２】
好ましい受動モード同期のために（本発明の範囲内で，原理的には能動モード同期も考えられる），本発明の短パルスレーザ装置ではそれ自身は既知の”カー（Ｋｅｒｒ）レンズモード同期”原理が用いられ，更にそれ自身はまた既知であるが，可飽和吸収器がまた用いられる。可飽和吸収器は，共振器内のビーム経路に配置され，更に好ましくは共振器の最終ミラーがまた可飽和吸収器−反射器として用いられる。
【００１３】
本発明の短パルスレーザ装置は，素材処理の分野で特に有利に用いることができる。そこではますます微細化が進んでおり，微細構造が正確さと高速さをもって製造されなければならない。高出力パルスエネルギ及び高繰り返しレートを可能にする本発明の短パルスレーザ装置は，このために理想的に用いることができる。本発明の短パルスレーザ装置は，破壊しきい値（すなわち，素材破壊のしきい値エネルギ）のわずか上で動作することが可能であり，前記の高繰り返しレート及び発生される複数のパルスにより，高アブレーションレート及びそれにもかかわらず精密な処理が達成できる。
【実施例】
【００１４】
次に，図面に示された好ましい例としての実施例を用いて本発明を更に説明する。しかし，本発明はその例に制限されるものではない。図１に短パルスレーザ装置１１が概略図として示されている。そこでは，例えば，それ自身は既知のカーレンズモード同期原理が短パルスを発生するのに用いられる。
【００１５】
図１のレーザ装置１１は，共振器１２を備え，ポンプビーム１３が例えば２逓倍固体レーザなどのポンプレーザから共振器に供給される。ポンプレーザそれ自身は簡略化のため図１では省略されており，また先行技術の一部である。
【００１６】
レンズＬ１及びダイクロイックミラーＭ１を通過した後，ポンプビーム１３はこの例ではチタニウム−サファイア（ＴＩ：Ｓ）固体レーザ結晶であるレーザ結晶１４を励起する。ダイクロイックミラーＭ１はポンプビーム１３を透過させるが，それでもなおＴｉ：Ｓレーザビームに対して高反射性である。レーザビーム１５（共振器ビーム）は，次にレーザミラーＭ２に当たり，後者によってレーザミラーＭ３に向けて反射される。このレーザミラーＭ３はまた，レーザビームをレーザミラーＭ４に向けて反射し，そこからレーザビーム１５は逆にレーザミラーＭ３，Ｍ２，Ｍ１へ反射され，レーザ結晶１４を再度通過する。共振器のミラーＭ２，Ｍ３及びＭ４の部分は，いわゆる短共振器アーム（ａｒｍ）１６を形成している。
【００１７】
ミラーＭ１からレーザビーム１５が次にレーザミラーＭ５へ反射され，そこからレーザミラーＭ６とさらにレーザミラーＭ７とに反射され，そこで第２の長共振器アーム１７を形成している。レーザミラーＭ７からレーザビーム１５は図１に単に概略として示されている望遠鏡１８に入り，そこから射出結合ミラーＯＣとして働く最終ミラーに届く。この射出結合ミラーＯＣを介して，レーザビーム１５の一部が，補正の可能性のために，図１に例として示されている補正プレートレット（ＣＰ）に射出される。
【００１８】
レーザ結晶１４は光学的に非線形であり，レーザビーム１５がより高いフィールド強度のときはより大きい実効光学厚みを持ち，一方レーザビームのフィールド強度又は強度がより低いときはより小さい実効厚みを持つ，カーエレメントを形成する平面−平行体である。このそれ自体は既知のカー効果がレーザビーム１５の自己集束に用いられる。すなわち，レーザ結晶１４がレーザビーム１５のための集束レンズを形成する。さらに，モード同期はそれ自体は従来の方法，例えば図１及び２には示されていないアパーチャによって実現される（例えば，ＡＴ ４０５ ９９２ Ｂを参照）。しかし，それはまた，最終ミラーの一つ，例えばＭ４を可飽和ブラッグ（Ｂｒａｇｇ）反射器又は可飽和吸収器として設計し，モード同期のために用いることも考えられる。
【００１９】
ミラーＭ１，Ｍ２・・・Ｍ７は，薄膜テクニックで実現される。すなわち，それらはそれぞれ，大きなスペクトル帯域幅を持つ極短レーザパルスを反射するときその機能を発揮する多くの層から成り，”あつらえの”分散をもたらす。これらのミラーは共振過程（Ｇｉｒｅｓ Ｔｏｕｒｎｏｉｓ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ， ＧＴＩ），又はチャープミラー（Ｃｈｉｒｐｅｄ ｍｉｒｒｏｒ）のいずれかを利用する。これらにより，レーザビーム１５の異なる波長成分がそれぞれのミラーで反射される前に，層の異なる深さまで侵入する。これによって，異なる波長成分は反射ミラーで異なる時間遅延する。例えば短波長成分はさらに外側で（すなわち，表面に向かって）反射され，長波長成分はミラーの内部深くで反射される。これにより，長波長成分は短波長成分に比べ，一時的に遅延する。このように，特に短い時間範囲（好ましくは１０ｆｓ以下の範囲）を持つパルスが広い周波数スペクトルを持つ限りにおいて，分散補正が可能である。これは，レーザビーム１５の異なる周波数成分が，レーザ結晶１４中の異なる屈折係数に”出会う”，すなわちレーザ結晶１４の光学的厚みが異なる周波数成分に対しては異なり，また異なる周波数成分はそのためレーザ結晶１４を通過するとき異なった時間だけ遅延する事実による。この効果は，薄膜レーザミラーＭ１，Ｍ２・・・Ｍ７における前述の分散補正により，打ち消される。
【００２０】
既に述べたように，動作中，レーザビーム１５が短共振器アーム１６及び長共振器アーム１７をそれぞれ往復する間に，レーザパルスの一部（例えば３０％）が射出結合ミラーＯＣによって射出結合される。実際上，レーザ共振器１２の長さは望遠鏡１８なしで約２ｍであり，そこで例えば繰り返しレート周波数７５〜１００ＭＨｚ，例えば８０ＭＨｚが得られる。より高いパルスピーク強度，すなわちパルスエネルギを得るために，往復時間を増加させ，それにより繰り返しレートを減少させ，例えばこのレーザ装置１１を素材処理に使うことを目的として，レーザ共振器１２の長さは，望遠鏡１８を備えることにより増加する。合計共振器長を８倍に増加した場合，すなわち例えば共振器長が約１５又は１６ｍのとき，繰り返しレートを例えば約１０ＭＨｚにすることができる。レーザパルスのためのこのような長い経路長を得るため，望遠鏡１８内のミラーは，望遠鏡１８の組み立て長を多重反射によって短くできるように，レーザビーム１５の多重反射が得られるように配置される。
【００２１】
図２は，長方形の据付盤１９上に載せられている図１に従うようなレーザ装置１１を示しており，盤は例えば９００ｍｍ×４５０ｍｍのサイズである。この据付盤１９上に，図１の破線で囲った部分のレーザ共振器１２の部分２０がハウジングにカプセル化されて取り付けられており，更にまたポンプレーザ２１が据付盤１９上に配置され，そこからポンプビーム１３が２個のミラー２２，２３を介してレーザ共振器２０に供給されている。この共振器部２０から，レーザビーム１５がレーザミラーＭ６の方向に射出され，前述のようにそこからレーザミラーＭ７へ反射される。そこからレーザビーム１５は望遠鏡１８に入射され，望遠鏡１８内には入射結合ミラー２４が，例えばハウジング内の，２個の対向して配置された望遠鏡ミラー２５，２６の間のいくつかのビーム経路の一つに配置される。この入射結合ミラー２４はレーザビーム１５を，図２の左手にある平面望遠鏡ミラー２５に向けて反射し，平面鏡は次にレーザビーム１５を対向して配置された凹面望遠鏡ミラー２６に向けて反射する。この２個の望遠鏡ミラー２５，２６の間でレーザビーム１５は次に何回か，例えば８回，前後に反射され，この例では凹面望遠鏡ミラー２６で合計８回の反射点は，８回のレーザビーム反射に伴って凹面ミラー２６の中心の周りの仮想的な円上に位置する。これはまた，ＡＴ−Ａ−７６３／２００２に更に詳細に説明されている。
【００２２】
最後に，レーザビーム１５は入射結合ミラー１４の近傍に配置された望遠鏡射出結合ミラー２７によって，望遠鏡１８から射出結合される。また，後者と同じビーム経路で，前記の射出結合ミラーがレーザビーム１５を更なるミラー２８へ反射し，そこからレーザビーム１５はミラー２９を介して射出結合ミラーＯＣへ届く。これらのミラー２８，２９（及び，同様にミラー２２〜２７）は，簡素化のために図１には示されていない。
【００２３】
レーザパルス往復時間が延長された短パルスレーザ装置における重要な観点は，レーザ発信の安定性であり，個々のミラーで起きるレーザビーム断面像を考慮して，適切な適応がされなければならない。産業応用，すなわち素材処理の場合，のために特に重要な更なる意義深い観点は，レーザデバイス１１が小形なことである。前述の寸法，例えば９００ｍｍ×４５０ｍｍは，産業用の従来のレーザデバイスに対応するものであり，ここでは個別組み立てユニットを形成している望遠鏡部１８が追加で備えられ（図２参照），それで所望の長いレーザビーム１５の往復時間と，それによるより高いパルスエネルギが寸法の増加なしに達成できている。求められるものは，従前のような１０ｎＪ未満ではなく，数百ｎＪのオーダのパルスエネルギである。それで，２ＭＷを超えるピークパルス出力を得ることができる。
【００２４】
しかし実際には，高いピーク強度のためにレーザ結晶において非線形光学効果が生じることが示されており，それは増加した出力パルスエネルギ又はピーク出力を一定の平均出力強度で得るという所望の効果に制約となることが分かっている。特に，前記の非線形光学効果は，レーザ装置の共振器において周回している高エネルギレーザパルスが，より低い強度のいくつかのパルスに分離されることにつながる。これを打ち消すために，レーザ発振器又はレーザ共振器を最終的に正の分散となる範囲で動作させるのが適当であり，その場合高度にチャープしたパルスは際立って減少したピーク強度を持つピコ秒範囲のものとなる。先行技術（初めに示したＳ．Ｃｈｏ ｅｔ ａｌ．を参照）では，この場合，レーザパルスを共振器の外部で，プリズム，格子又はミラー，若しくはそれらの組合せにより作られた”圧縮器”によって数ｆｓのパルス幅に再度圧縮し，それによりピーク強度が再度増加させることが示唆されている。共振器における分散の全体的調整のために，この先行技術では２個のプリズムが用いられている。
【００２５】
しかし，より短いパルス及びそれに伴うより大きい帯域幅を得るために，共振器における全体の分散を関係するスペクトル範囲（すなわち関係する帯域幅）に渡って可能な限り一定に保つ必要があり，そこでもし全体の分散がわずかに正，すなわちゼロよりわずかに上，量を特定するならば数１０ｆｓ2，ならば更に有利であることが示されている。しかし，先行技術において見られるように，２個のプリズムにより得られる共振器は高次の分散を必然的に生じ，それで求める帯域幅に渡る所望の一定値を得ることができない。このことは，溶融シリカでできたプリズムで実現された圧縮器の分散特性を示している図３から明らかである。７００〜９００ｎｍの波長範囲において，分散ＧＤＤ（ＧＤＤ：群遅延分散）が−２５０ｆｓ2の下から−５０ｆｓ2のわずかに下まで変化し，約８５０ｎｍで最大値−５０ｆｓ2超となることが分かる。このように，示されたスペクトル範囲で，ＧＤＤの変動が２００ｆｓ2を超えている。そのような分散特性では，求める短レーザパルスを作り出すことはできない。
【００２６】
しかし本発明の短パルスレーザ装置１１においては，さまざまな誘電性ミラー，例えばＭ１〜Ｍ７によって，また選択的に望遠鏡ミラー２６，２７にもよって，分散の調整が行われ，そこで層構造及び層厚の点で適切に作られた，それ自身は既知の分散性ミラーが，共振器１２全体の所望の正の最終的な分散を調整するためにレーザ装置１１の残りのエレメントと結合されている。その際，図４のハッチした範囲に概略示されているように，分散は０〜１００ｆｓ2，好ましくは０〜５０ｆｓ2の範囲に保たれ，そこでカーブＡは，本発明の実践的な例としての実施例における分散特性を示している。比較のために，図４には，先行技術に従い分散制御のために２個のプリズムを用いる（Ｓ．Ｃｈｏ ｅｔ ａｌ．参照）とき得られる分散特性がカーブＢによって示されている。レーザ共振器１２の残りの構成部品と組み合わせることにより，分散特性が図３に概略図示されている２個のプリズムはカーブＢで示された最終的分散特性を示し，求める範囲，すなわち０ｆｓ2と５０ｆｓ2との間に分散が収まるのは，約１８０ｎｍの帯域幅だけであることが分かる。一方，カーブＡの分散は，６８０〜９６０ｎｍの図示されたすべてのスペクトル範囲で，すなわち少なくとも２８０ｎｍ，一般にはより大きい帯域幅の範囲で，求める範囲，すなわち０〜５０ｆｓ2以内である。カーブＢに関してはさらに，溶融シリカでできたプリズムは比較的わずかな高次分散によって既に特徴付けられており，それ故，既に最適化されていると考えなければならないが，しかし結果は分散性ミラーを用いた本発明の分散調整の場合に比べてまだ相当に貧弱であることに言及しなければならない。
【００２７】
分散制御のために分散性ミラーを用いることにより，共振器１２内に他の構成部品によってもたらされる正の分散を打ち消すために要求される負の分散が得られる。このように，例えばレーザ結晶１４が，共振器１２内に含まれる空気と同様に正の分散をもたらす。別の選択として，例として図１に示すように，２個の可変の，すなわち調整可能なガラスくさび３０を共振器１２内に，例えば望遠鏡１８の前に，追加の正の分散を得るために配置してもよい。ここで，２個のガラスくさび３０は溶融シリカでできていてもよい。
【００２８】
本発明の短パルスレーザ装置１１では，パルスを再度，数ｆｓのパルス幅に圧縮するために，パルスが共振器内でチャープされた後，図１，２に示されたように外部の”圧縮器”３１が用いられる。圧縮器もまた，据付盤１９に据え付けられる（図２参照）が，また望遠鏡１８と同様に別個の組み立てユニットを形成していてもよい。図１及び２に，プリズム３２，３３で作られたこの”圧縮器”３１が概略示されている。詳細に見て取れるように，射出結合ミラーＯＣを介して射出結合されたレーザビームは，ミラー３４でミラー３５へ反射され，ミラー３５は次にレーザビームを２個の前述のプリズム３２，３３へ反射し，そこでレーザビームはまず前方に進む間（図１及び２では左に），最終ミラー３６で反射されるまで扇状に広げられる。レーザビームがプリズム３３及び３２を通って反対に進むとき，スペクトル内の異なる波長と，それに対応する異なる伝播時間とのために以前に広げられたレーザビームは再度束ねられ，その経路は前方に進むレーザビームに対してわずかにオフセットしており，これにより図１の矢印３７で示されるようにミラー３５を過ぎて射出結合される。
【００２９】
具体的な例としての実施例では，個々のエレメント及び共振器１２全体に対して，示された波長７００ｎｍ，８００ｎｍ及び９００ｎｍにおいて次の表に示された分散値が得られている。
【表１】
【００３０】
ここで考慮した例では，レーザ結晶１４として厚さ３ｍｍのチタニウム−サファイア結晶が用いられており，それは上述のように２回往復すると合計６ｍｍの厚さを考慮しなければならないことを意味する。そのほか，射出結合ミラーＯＣからそこへ戻るまでの２回の往復はまた，すべての他のエレメントに関係する。
【００３１】
１０ＭＨｚの繰り返しレートを持つ例としての共振器１２は，全往復で１５ｍの長さがあり，そのため共振器１２内の空気による分散を考慮に入れなければならない。
【００３２】
望遠鏡１８においては，各通過当たり，及び望遠鏡ミラー２５又は２６当たり，８回の反射を考慮に入れなければならない。
【００３３】
正の分散を付加的にもたらす共振器１２内のガラスくさび３０は厚さ１２ｍｍであり，すなわち２回の通過で合計２４ｍｍを考慮しなければならない。
【００３４】
さらに分散調整のために，適切なミラー設計がされた６個の分散性ミラーＭ６，Ｍ７，２４，２７，２８及び２９が特に使われる。
【００３５】
図５は実際のテスト設定で測定された信号の自己相関の図であり，信号強度（任意単位）が時間（同じく任意単位）に対して示され，パルス幅２７ｆｓがそれから計算できる。
【００３６】
図６は，関連するスペクトラムが示されており，今度はｎｍ単位の波長λに対して，信号強度がここでも任意単位で示されている。
【００３７】
この例で得られたパルスエネルギは２００ｎＪよりも大きく，繰り返しレートは１１ＭＨｚ，波長範囲Δλは約４０ｎｍであった。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の望遠鏡を持つ短パルスレーザ装置の構造を示す図である。
【図２】据え付け盤に配置された短パルスレーザ装置を示し，また望遠鏡領域のレーザビームの入射結合及び射出結合が概略示されている。
【図３】先行技術の２個のプリズムによる分散特性を示す。
【図４】二つのカーブＡ，Ｂがそれぞれ，本発明の短パルスレーザ装置（カーブＡ）と，共振器に負の分散をもたらすためにいわゆる溶融シリカプリズムが用いられた先行技術のレーザ装置の特性（カーブＢ）とを示す。
【図５】自己相関測定結果を任意単位の信号強度対時間（これも任意単位）で示す。
【図６】図５に示す測定された自己相関に対応するスペクトルを示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
好ましくは受動モード同期（ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｉｎｇ）の短パルスレーザ装置であって，レーザ結晶（１４）といくつかのミラー（Ｍ１〜Ｍ７，２２，２３，ＯＣ）とを含む共振器（１２）を備え，ミラーの一つはポンプビーム入射結合ミラー（２２)を形成し，また一つはレーザビーム射出結合ミラー（ＯＣ）を形成し，また共振器長を増加させる多重反射望遠鏡（１８）を備え，前記共振器（１２）は動作中，関係する波長範囲に渡って正の平均分散を有し，そこで前記共振器（１２）の正の平均分散の調整を，前記共振器（１２）の少なくともいくつかは分散ミラーとして設計されるミラー（Ｍ１〜Ｍ７，２２，２３，ＯＣ）によって行うことを特徴とする短パルスレーザ装置。
【請求項２】
前記共振器（１２）の関連する波長範囲に渡って平均した分散を，０〜１００ｆｓ２の範囲に調整することを特徴とする請求項１に記載の短パルスレーザ装置。
【請求項３】
前記の平均分散を０〜５０ｆｓ２の範囲とすることを特徴とする請求項２に記載の短パルスレーザ装置。
【請求項４】
前記共振器（１２）のすべてのミラーを分散ミラーとすることを特徴とする，請求項１〜３のいずれか一項に記載の短パルスレーザ装置。
【請求項５】
前記共振器（１２）のすべてのミラーは負の分散を有することを特徴とする請求項４に記載の短パルスレーザ装置。
【請求項６】
前記多重反射望遠鏡（１８）のミラー（２５，２６）を分散ミラーとすることを特徴とする，請求項１〜５のいずれか一項に記載の短パルスレーザ装置。
【請求項７】
前記多重反射望遠鏡（１８）のミラー（２５，２６）は負の分散を有することを特徴とする請求項６に記載の短パルスレーザ装置。
【請求項８】
追加の分散微調整のために，正の分散を持つ２個のガラスくさび（ｗｅｄｇｅ）（３０）を前記共振器（１２）内に配置することを特徴とする，請求項１〜７のいずれか一項に記載の短パルスレーザ装置。
【請求項９】
受動モード同期のために，カー（Ｋｅｒｒ）レンズモード同期原理を用いることを特徴とする，請求項１〜８のいずれか一項に記載の短パルスレーザ装置。
【請求項１０】
受動モード同期のために，可飽和吸収器（Ｍ４）を用いることを特徴とする，請求項１〜８のいずれか一項に記載の短パルスレーザ装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の短パルスレーザ装置の素材処理のための使用。
【請求項１】
好ましくは受動モード同期（ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｉｎｇ）の短パルスレーザ装置であって，レーザ結晶（１４）といくつかのミラー（Ｍ１〜Ｍ７，２２，２３，ＯＣ）とを含む共振器（１２）を備え，ミラーの一つはポンプビーム入射結合ミラー（２２)を形成し，また一つはレーザビーム射出結合ミラー（ＯＣ）を形成し，また共振器長を増加させる多重反射望遠鏡（１８）を備え，前記共振器（１２）は動作中，関係する波長範囲に渡って正の平均分散を有し，そこで前記共振器（１２）の正の平均分散の調整を，前記共振器（１２）の少なくともいくつかは分散ミラーとして設計されるミラー（Ｍ１〜Ｍ７，２２，２３，ＯＣ）によって行うことを特徴とする短パルスレーザ装置。
【請求項２】
前記共振器（１２）の関連する波長範囲に渡って平均した分散を，０〜１００ｆｓ２の範囲に調整することを特徴とする請求項１に記載の短パルスレーザ装置。
【請求項３】
前記の平均分散を０〜５０ｆｓ２の範囲とすることを特徴とする請求項２に記載の短パルスレーザ装置。
【請求項４】
前記共振器（１２）のすべてのミラーを分散ミラーとすることを特徴とする，請求項１〜３のいずれか一項に記載の短パルスレーザ装置。
【請求項５】
前記共振器（１２）のすべてのミラーは負の分散を有することを特徴とする請求項４に記載の短パルスレーザ装置。
【請求項６】
前記多重反射望遠鏡（１８）のミラー（２５，２６）を分散ミラーとすることを特徴とする，請求項１〜５のいずれか一項に記載の短パルスレーザ装置。
【請求項７】
前記多重反射望遠鏡（１８）のミラー（２５，２６）は負の分散を有することを特徴とする請求項６に記載の短パルスレーザ装置。
【請求項８】
追加の分散微調整のために，正の分散を持つ２個のガラスくさび（ｗｅｄｇｅ）（３０）を前記共振器（１２）内に配置することを特徴とする，請求項１〜７のいずれか一項に記載の短パルスレーザ装置。
【請求項９】
受動モード同期のために，カー（Ｋｅｒｒ）レンズモード同期原理を用いることを特徴とする，請求項１〜８のいずれか一項に記載の短パルスレーザ装置。
【請求項１０】
受動モード同期のために，可飽和吸収器（Ｍ４）を用いることを特徴とする，請求項１〜８のいずれか一項に記載の短パルスレーザ装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の短パルスレーザ装置の素材処理のための使用。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公表番号】特表２００７−５１１０７９（Ｐ２００７−５１１０７９Ａ）
【公表日】平成１９年４月２６日（２００７．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５３８５８８（Ｐ２００６−５３８５８８）
【出願日】平成１６年１０月４日（２００４．１０．４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＡＴ２００４／０００３３６
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０４８４１９
【国際公開日】平成１７年５月２６日（２００５．５．２６）
【出願人】（５００２３３２７８）フェムトレーザース プロドゥクシオンズ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング (8)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年４月２６日（２００７．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１０月４日（２００４．１０．４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＡＴ２００４／０００３３６
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０４８４１９
【国際公開日】平成１７年５月２６日（２００５．５．２６）
【出願人】（５００２３３２７８）フェムトレーザース プロドゥクシオンズ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング (8)
【Ｆターム（参考）】
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