超短波パルス光源およびそれを備えた２光子吸収記録媒体記録装置
【課題】２光子吸収記録媒体に対して高速、かつ安定に情報記録が可能な、実用的な超短パルスレーザ光源を得る。
【解決手段】一端が半導体可飽和吸収ミラー14により構成されてなる共振器と、固体レーザ媒質16と、共振器内における群速度分散を制御するための負群速度分散補償素子19と、固体レーザ媒質16を励起する励起光Ｌ０を出力する励起光学系13とを備え、繰り返し周波数１ＧＨｚ以上のソリトンパルスレーザ光Ｌを発振するソリトンモード同期固体レーザ10と、ソリトンパルスレーザ光Ｌの強度変調を行うための、導波路型電気光学変調素子31およびそれに所望の情報に応じた電圧を印加する駆動ドライバ32とを備えた強度変調手段30と、強度変調されたソリトンパルスレーザ光Ｌｍを、第２高調波に変換する非線形光学素子40とを備える。
【解決手段】一端が半導体可飽和吸収ミラー14により構成されてなる共振器と、固体レーザ媒質16と、共振器内における群速度分散を制御するための負群速度分散補償素子19と、固体レーザ媒質16を励起する励起光Ｌ０を出力する励起光学系13とを備え、繰り返し周波数１ＧＨｚ以上のソリトンパルスレーザ光Ｌを発振するソリトンモード同期固体レーザ10と、ソリトンパルスレーザ光Ｌの強度変調を行うための、導波路型電気光学変調素子31およびそれに所望の情報に応じた電圧を印加する駆動ドライバ32とを備えた強度変調手段30と、強度変調されたソリトンパルスレーザ光Ｌｍを、第２高調波に変換する非線形光学素子40とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、情報に応じて変調可能な超短波パルス光源、およびその超短波パルス光源を備えた、非共鳴同時２光子吸収を利用して情報を記録することが可能な２光子吸収材料記録媒体への情報記録を行うための記録装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
次世代高密度光記録方法として、非共鳴同時２光子吸収（以下において、単に「２光子吸収」という。）と称される非線形光学現象を利用した記録方法が注目されている。２光子吸収材は光密度が高い光の焦点でのみ誘起されるため、２光子吸収記録媒体を用いた光ディスクは面内のみならず、深さ方向に多層に記録ができることから、大容量化が可能となる。
【０００３】
しかしながら、現状の２光子吸収材料の多くは２光子吸収効率が極めて低いため、従来の報告例では、情報書き込みを行うためのレーザ光源にはピークパワーの極めて高いチタンサファイアレーザのような大型のモード同期超短パルス固体レーザが用いられている。
【０００４】
具体的には、上述のような２光子吸収材料を用いた記録媒体に対する情報記録を行うための記録装置が、特許文献１、２等に提案されている。
【０００５】
特許文献１には、多光子吸収材料との組合せにおいて、情報記録を行うための光源として、１ｐｓ以下のパルス幅および１ｋＨｚ以上の周波数のパルスレーザを発振する光源を備えた光記録再生装置が提案されており、特に、パルスレーザの波長は、多光子吸収材料の光吸収スペクトルの中心波長λａのｎ倍とすることについて開示されている。
【０００６】
特許文献２は、記録しきい値エネルギーが10ｎＪ以下の記録材料（多光子吸収材料）を有する記録媒体に対して、１ｐｓ以下のパルス幅のレーザ光を用い、レーザ光を記録媒体に集光する対物レンズとして開口数ＮＡが０．６以上のものを用いることが提案されている。
【０００７】
特許文献１および２では、具体的には中心波長８００ｎｍ、パルス幅約１００ｆｓ、繰り返し周波数８０ＭＨｚのTi:Sapphire Laserであるスペクトラ・フィジックス社製のＭａｉＴａｉ（登録商標）を用いる例が挙げられている。
【０００８】
その他、汎用超短パルスレーザとしては、イムラ社のファイバモード同期レーザなどもある。しかしながら、チタンサファイアモード同期レーザは、高価、大型かつ不安定であり、実用的な光源ではない。また、ファイバモード同期レーザは、チタンサファイアモード同期レーザと比較して、小型、低コストではあるが、パルスの繰り返し周波数が５０ＭＨｚ程度であり、高い転送レートでの書込みが不可能である。記録容量の向上に伴い、高い転送レートでの書き込みを行えないと、書込みに膨大な時間を要することとなり、やはり実用的な光源とはいえない。
【０００９】
一方、近年、ＮｄまたはＹｂをドープした固体レーザ媒質と可飽和半導体ミラーを用いたモード同期固体レーザにおいて、ＧＨｚ帯の繰り返し周波数を実現し、低価格、小型、高安定性なレーザが、例えば特許文献３において提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−１６４４５１号公報
【特許文献２】特開２００６−１９６０８４号公報
【特許文献３】特開２００８−２８３７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献３に記載のような小型のモード同期固体レーザを用いることにより、実用的な２光子記録装置の実現が期待される。しかしながら、より記録容量を高めることが望ましい。そこで、上述の小型モード同期固体レーザにおいて、ＮｂまたはＹｂなどをドープした固体レーザ媒質の発振波長は１μｍ近傍であることから、この発振光を、非線形光学素子により第２高調波として緑色光とし、この緑色光を記録光として用いることが考えられる。緑色光による２光子吸収記録を用いれば、１層当たりブルーレイディスク（ＢＤ）と同等の記録密度を達成可能となる。
【００１２】
ここで、現実に所望の情報に応じた記録を行う場合には、記録光を所望の情報に応じて変調する必要がある。しかしながら、特許文献１、２等においては、光変調の具体的な方法は記載されていない。既存の光ディスク記録装置において、記録光の光変調に用いられているバルク体の電気光学変調素子は、ＧＨｚ帯には対応できず、ＧＨｚ帯の繰り返しの緑色パルスの光変調をいかに行うかが問題となる。光通信で用いられている導波路型電気光変調器が有望と考えられるが、可視帯域の波長で使用可能なものは作製が困難である。
【００１３】
本願発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、２光子吸収記録媒体に対して高速、かつ安定に情報記録が可能な、実用的な超短パルスレーザ光源およびそれを備えた２光子吸収記録媒体記録装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の超短パルスレーザ光源は、一端が半導体可飽和吸収ミラーにより構成されてなる共振器と、該共振器内に備えられた、希土類もしくは遷移金属が添加されている固体レーザ媒質と、該共振器内における群速度分散を制御するための負群速度分散補償素子と、前記固体レーザ媒質を励起する励起光を出力する励起光学系とを備え、繰り返し周波数１ＧＨｚ以上ソリトンパルスレーザ光を発振するソリトンモード同期固体レーザと、
前記ソリトンモード同期固体レーザから発振された前記ソリトンパルスレーザ光の強度変調を行うための、導波路型電気光学変調素子および該導波路型電気光学変調素子に所望の情報に応じた電圧を印加する駆動ドライバを備えた強度変調手段と、
該強度変調手段により強度変調された前記ソリトンパルスレーザ光を、第２高調波に変換する非線形光学素子とを有していることを特徴とするものである。
【００１５】
前記ソリトンモード同期固体レーザと前記導波路型電気光学変調素子との間に、前記ソリトンパルスレーザ光が該導波路型電気光学変調素子を通過することにより生じる群速度分散を補償する群速度分散補償素子を備えることが望ましい。
【００１６】
ソリトンモード同期固体レーザとしては、ピークパワー１００Ｗ（平均出力０．０５Ｗ）以上、パルス幅１ｐsec以下のソリトンパルスレーザ光を発振するものであることが望ましい。また、共振器が直線型共振器であり、共振器長は１５０ｍｍ以下、さらには７５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１７】
さらに、前記ソリトンモード同期固体レーザから発振された前記ソリトンパルスレーザ光の一部を分割する、前記ソリトンモード同期固体レーザと前記導波路型電気光学変調素子との間に配置された光分割手段と、該光分割手段により分割された前記ソリトンパルスレーザ光を検出する光検出器とを備え、該光検出器からの電気信号を、前記導波路型電気光学変調素子に対して前記所望の情報に応じて印加される電圧の、クロック信号として使用することが望ましい。
【００１８】
また、前記光検出器からの電気信号に基づいて、前記ソリトンモード同期固体レーザから安定した平均出力で前記ソリトンパルスレーザ光が発振されるように、前記励起光のパワーを制御する励起光駆動制御手段を備えていることが望ましい。
【００１９】
前記導波路型電気光学変調素子としては、ＬiＮｂＯ３からなるものが好適である。
【００２０】
前記非線形光学素子としては、周期分極反転ＬｉＮｂＯ３素子、周期分極反転ＬｉＴａＯ３素子および、周期分極反転ＫＴｉＯＰＯ４のうちのいずれかが好適である。
【００２１】
前記負群速度分散補償素子が、負分散量が−３０００ｆｓ２以上かつ０ｆｓ２以下であり、透過率が０．１％以上かつ３％以下である負分散ミラーからなり、該負分散ミラーが前記共振器の他端を構成しているものであることが望ましい。
【００２２】
本発明の２光子吸収記録媒体記録装置は、上記本発明の超短パルスレーザ光源を、２光子吸収記録媒体に対して情報を記録するための記録光光源として備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の超短パルスレーザ光源は、ソリトンモード同期固体レーザからの発振された繰り返し周波数１ＧＨｚ以上のソリトンパルスレーザ光を、強度変調手段により変調した後に、第２高調波に変換するように構成しており、第２高調波に変換する前の、基本波で強度変調を行うので、強度変調手段として、既存の導波路型電気光学変調素子を用いることができる。この超短パルスレーザ光源を用いれば、２光子吸収記録媒体への情報記録が可能である。特に、繰り返し周波数１ＧＨｚ以上、ピークパワー１００Ｗ以上、パルス幅１ｐsec以下の超短パルスレーザ光を用いれば、極めて実用的な高い転送レートでの情報記録を実現することができる。本超短パルスレーザ光源は、小型のソリトンモード同期固体レーザを用いることができるので、全体として小型に構成することができ、安定かつコストを抑制した実用的な記録再生装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態の超短パルスレーザ光源
【図２】本発明の実施形態の２光吸収記録媒体記録装置
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照して本発明の超短パルスレーザ光源および２光子吸収記録媒体の記録装置の実施形態について説明する。
【００２６】
「超短パルスレーザ光源」
まず、本実施形態の超短パルスレーザ光源１について説明する。図１は、本実施形態における超短パルスレーザ光源１の概略構成を示す模式図である。図示の通り、本実施形態の超短パルスレーザ光源１は、繰り返し周波数１ＧＨｚ以上、ピークパワー１００Ｗ以上、パルス幅１ｐsec以下のソリトンパルスレーザ光を発振するソリトンモード同期固体レーザ１０と、ソリトンモード同期固体レーザ１０から発振されたソリトンパルスレーザ光Ｌの強度変調を行うための、導波路型電気光学変調素子３１および該導波路型電気光学変調素子３１に所望の情報に応じた電圧を印加する駆動ドライバ３２とを備えた強度変調手段３０と、該強度変調手段３０により強度変調されたソリトンパルスレーザ光Ｌｍを、第２高調波に変換する非線形光学素子４０とを有してなる。
【００２７】
ソリトンモード同期固体レーザ１０は、共振器の一端を構成するＳＥＳＡＭ（半導体可飽和吸収ミラー）１４と、共振器の他端を構成する出力ミラーを兼ねた負分散ミラー１９と、このＳＥＳＡＭ１４および負分散ミラー１９で構成される共振器の内部に配置された固体レーザ媒質１６と励起光Ｌ０を共振器光軸に対して斜め方向から入力させる励起光学系１３と、共振器光軸に対してブリュースタ角になるように共振器内に配置され、励起光学系１３により入射された励起光Ｌ０を、固体レーザ媒質１６に向けて反射すると共に、共振器内で共振する発振光Ｌを透過する、共振器内に配されたダイクロイックミラー１８とから構成されている。
励起光学系１３は励起光Ｌ０を射出する半導体レーザ１１と励起光Ｌ０を固体レーザ媒質上で収束させるためのセルフォックレンズ１２を備えている。
【００２８】
以上の構成においては、励起光学系１３により共振器光軸に対して斜めに入射された励起光Ｌ０がダイクロイックミラー１８により反射されて固体レーザ媒質１６に入力され、これによって固体レーザ媒質１６が励起されて発生した光が共振器の作用で発振する。レーザ発振光（パルスレーザ光）Ｌは出力ミラー（負分散ミラー）１９を一部透過し外部に出力される。本構成の装置においては、共振器内で共振するレーザ発振光ＬのビームウェストがＳＥＳＡＭ１４上にのみ形成されている。なお、固体レーザ媒質１６とＳＥＳＡＭ１４とは、固体レーザ媒質１６に発振光Ｌのビームウェストが形成されていなくても十分な発振を行うことができる程度に近接配置されている。
【００２９】
固体レーザ媒質１６としては、例えば、７６０ｎｍ〜１１００ｎｍ程度の範囲で発振波長を実現できる固体レーザ結晶のうち、対象とする記録媒体の特性に応じた発振波長を実現できる固体レーザ結晶を適宜選択して使用する。具体的には、Ｙｂ：ＫＧＷ（ＫＧｄ（ＷＯ４）２）、Ｙｂ：ＫＹＷ（ＫＹ（ＷＯ４）２）、Ｙｂ：ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）、Ｙｂ：Ｙ２Ｏ３、Ｙｂ：Ｓｃ２Ｏ３、Ｙｂ：Ｌｕ２Ｏ３、Ｙｂ：ＧｄＣＯＢ（Ｃａ４ＧｄＯ（ＢＯ３）３）、Ｙｂ：ＳＹＳ（ＳｒＹ４（ＳｉＯ４）３）、Ｙｂ：ＢＯＹＳ（Ｓｒ３Ｙ（ＢＯ３）３）、Ｙｂ：ＹＶＯ４、Ｙｂ：ＧｄＶＯ４、Ａｌｅｘａｎｄｒｉｔｅ（Ｃｒ：ＢｅＡｌ２Ｏ４）、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ（ＬｉＳｒＡｌＦ６）、Ｃｒ：ＬｉＳＧＡＦ（ＬｉＳｒＧａＦ６）、Ｃｒ：ＬｉＣＡＦ（ＬｉＣａＡｌＦ６）、Ｃｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅ（Ｍｇ２ＳｉＯ４）、Ｃｒ：ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）、Ｃｒ：Ｃａ２ＧｅＯ４、Ｔｉ：Ａｌ２Ｏ３、Ｎｄ：Ｇｌａｓｓ、及びＥｒ：Ｙｂ：Ｇｌａｓｓなどが挙げられる。なお、例えば、Ｙｂ：ＫＹＷにより１０４５ｎｍ、Ｙｂ:ＹＡＧにより１０３０ｎｍ〜１１００ｎｍ、Ｙｂ:ＫＧＷにより１０００ｎｍあるいは１０４５ｎｍ、Ｙｂ：Ｙ2Ｏ3により１０７５ｎｍ、Ｙｂ:Ｓｃ2Ｏ3により、１０４１ｎｍ、Ｎｄ：Ｇｌａｓｓにより１０６０ｎｍのそれぞれ発振波長を得ることができる。またＣｒ:ＬｉＳＡＦ、Ｃｒ:ＬｉＣＡＦ、アレキサンドライトなどを用いれば、７６０ｎｍ〜１０００ｎｍの発振波長を得ることができる。
【００３０】
また、固体レーザ媒質１６の厚みと希土類の添加濃度は、励起光を十分に、例えば９０％の効率で吸収することが出来るように設定する。
【００３１】
負分散ミラー１９は、共振器内の群速度分散を補償し、かつ、共振器内の光パルスの高いピークパワーにより固体レーザ媒質１６において生ずる自己位相変調による正のチャープも補償する役割を担う。分散量は動作条件にも依存するが、０〜−３０００ｆsec２程度の範囲内の分散量であることが好ましい。なお、分散量は、共振器内の全体の群速度分散が０以下となるように設定する。また、負分散ミラー１９の透過率Ｔは、ミラー設計により、例えば出力結合率をおよそ０．５〜３％程度の範囲内に設定することで、最適な出力取り出しが可能である。
【００３２】
負分散ミラー１９の曲率半径は、共振器のガウスビーム伝搬設計により算出決定されるが、共振器スポット径（発振光のビームウェスト）を出来るだけ小さくするため、おおよそ共振器長と同程度の曲率半径を持たせ、ヘミスフェリカル型とすることが好適である。これにより、共振器スポットをおよそ５０μｍ直径程度に抑えることができ、短共振器長化に伴うＱスイッチ現象を回避することができる。また、これと同時に、励起光のスポット径との空間的な整合を良好に取ることができ、高効率化を図ることができる。
【００３３】
ダイクロイックミラー１８は、励起光Ｌ０の波長に対して高反射で、発振光Ｌの波長に対して低反射のコーティングが施されており、これにより高効率な励起及び低内部損失が実現される。
【００３４】
本実施形態のモード同期固体レーザ１０は、共振器長は１５０ｍｍ以下、さらには７５ｍｍ以下であることが好ましい。また、共振器長１５０ｍｍ以下とすることにより繰り返し周波数を１ＧＨｚ以上、７５ｍｍ以下とすることにより繰り返し周波数２ＧＨｚ以上が実現できる。
【００３５】
本実施形態のモード同期固体レーザ１０は、負分散ミラー１９から出力された発振光Ｌの一部を反射するビームスプリッタ２０、ビームスプリッタ２０により反射された発振光Ｌの一部を受光して電気信号に変換する光検出器（フォトディテクタ）２２を備え、フォトディテクタ２２からの電気信号を、強度変調手段３０において、駆動ドライバ３２が電気光学変調素子３１に対して電圧を印加する際のクロック信号として用いている。
【００３６】
また、フォトディテクタ２２からの電気信号は、ローパスフィルタ２４を介して半導体レーザ１１の出力を制御するＬＤ駆動ドライバ２５にも入力され、フォトディテクタ２２で検出される光強度が略一定となるように半導体レーザ１１に印加する電圧を制御するために用いられている。すなわち、本実施形態においては、ビームスプリッタ２０、フォトディテクタ２２、ローパスフィルタ２４およびＬＤ駆動ドライバ２５により、励起光駆動制御手段が構成されている。
【００３７】
導波路型電気光学変調素子３１としては、ＬｉＮｂＯ３からなるものが好適である。導波路型の変調素子はロスが大きいことから、一般に、従来の光ディスク記録装置においては用いられていない。しかしながら、ソリトンモード同期固体レーザ１０は導波路型の変調素子におけるロスにも十分に耐えうる出力を行うことができる。また、ソリトンパルスレーザ光Ｌは、導波路型電気光学変調素子３１を通過する際、正のチャープを受けるためにパルス幅が広がり、さらに平均出力が低下するが、本実施形態の超短パルスレーザ光源１は、ソリトンモード同期固体レーザ１０と、導波路型電気光学変調素子３１との間に、ソリトンパルスレーザ光Ｌが導波路型電気光学変調素子３１を通過することにより生じる群速度分散を補償する群速度分散補償素子３５を備えている。この群速度分散補償素子３５を備えているので、導波路型電気光学変調素子３１により生じる正のチャープを補償し、パルス幅の広がりを抑制することができる。なお、光学変調素子３１によるパルス幅の広がりが許容範囲であれば、群速度分散補償素子３５は備えなくてもよい。
【００３８】
非線形光学素子としてはモード同期固体レーザ１０の発振光波長に対し分極反転周期が最適な値に設定された周期分極反転素子を用いる。具体的には、ＰＰＫＴＰ(周期分極反転ＫＴｉＯＰＯ４)、ＰＰＬＮ（周期分極反転ＬｉＮｂＯ３）、ＰＰＬＴ(周期分極反転ＬｉＴａＯ３)が好適である。
【００３９】
なお、本実施形態の超短パルスレーザ光源１は、さらにソリトンモード同期固体レーザ１０から発振されたレーザ光Ｌを光学変調素子３１に集光する集光レンズ３６、光学変調素子３１により変調されたレーザ光Ｌｍをコリメートするコリメータレンズ４１、さらにそのレーザ光Ｌｍを非線形光学素子４０に集光する集光レンズ４２、非線形光学素子４０から出力された光をコリメートするコリメータレンズ４３を備えている。また、非線形光学素子４０を透過した近赤外光と第２高調波とを分離するためのフィルタ４４を備えている。フィルタ４４により透過されるのは第２高調波超短パルスレーザ光Ｌｗである。
【００４０】
次に、上記一実施形態のモード同期固体レーザ１０のレーザ構成部品について、具体的な構成例（実施例）を説明する。
【００４１】
励起光学系１３の半導体レーザ１１としては、例えば中心波長９８０ｎｍ、エミッタ幅５０μｍ、最大出力２．７Ｗの励起光を出力する半導体レーザ（オプトエナジー社製）を用いた。セルフォックレンズ１２は、半導体レーザ１１から出射された励起光を集光スポット径が略５０μｍφとなるように固体レーザに集光させるものである。
【００４２】
固体レーザ媒質１６として、厚みが１．５ｍｍ、Ｙｂの添加濃度が５ａｔ％のＹｂ:ＫＹＷ（Ｙｂ：ＫＹ(ＷＯ4）2）を用いた。固体レーザ媒質１６の両面は光学研磨され、発振光の波長１０４５±１０ｎｍに対し反射率が０．２％以下の反射防止コーティングが施されている。
【００４３】
ＳＥＳＡＭ１４としては、波長１０４５ｎｍに対し、変調深さ（ΔＲ）が０．４％、飽和フルーエンス（Ｆsat）が７０μＪ／ｃｍ２のものを用いた。
【００４４】
負分散ミラー１９は、凹面側に、分散量が−８００ｆsec２、発振光の波長１０４５±１０ｎｍの透過率が１．８％となるコーティングが施されており、平面側に発振光の波長１０４５±１０ｎｍに対し、反射率が１％以下の反射防止コーティングが施されている。また、ミラー面（凹面）の曲率半径は５０ｍｍである。
負分散ミラー１９とＳＥＳＡＭ１４との距離、すなわち共振器長は約５０ｍｍとした。
【００４５】
ダイクロイックミラー１８は、励起光の波長に対して反射率が９５％以上で、発振光の波長に対して反射率が０．２％以下のコーティングが施されているものを用いた。
【００４６】
本発明者は、上記構成例のモード同期固体レーザ１０により、中心波長１０４５ｎｍ、平均出力７００ｍＷ、パルス幅２２０ｆsec、繰り返し周波数２．８５ＧＨｚの超短パルスレーザ光を出力できることを確認した。
【００４７】
ビームスプリッタ２０としては、発振光の波長１０４５±１０ｎｍに対し、反射率が１％の反射防止コーティングが施された石英板を用いた。この石英板により反射された光が高速フォトディテクタ２２により検出される。一方、石英板を通過したパルスレーザ光Ｌを群速度分散素子に集光するための集光レンズ３６としては、焦点距離４．５ｍｍのマクロアートレンズを用いた。
【００４８】
本構成例では、群速度分散補償素子３５を備えず、マクロアートレンズは、パルスレーザ光Ｌを、導波路型電気光学変調素子３１に接続されている図示しないファイバに結合するように構成した。
導波路型電気光学変調素子３１としては、Photoline technologies社のNIR-MX-LN-seriesを用いた。
【００４９】
上記構成により、モード同期固体レーザからのパルスレーザ光Ｌを、導波路型電気光学変調素子３１に約７０％カップリングすることができ、非変調（電圧ＯＦＦ）時に平均出力５００ｍＷ、パルス幅４００ｆsecのパルスレーザ光を電気光学変調素子３１から出力させることができた。なお、群速度分散補償素子３５を備えた場合、平均出力４００ｍＷ、パルス幅２５０ｆｓとすることができた。
【００５０】
非線形光学素子４０としては、発振波長１０４５ｎｍに対応した反転ドメインが形成されている、長さ４．８ｍｍのＰＰＫＴＰ結晶を用いた。
【００５１】
電気光学変調素子３１から出力したレーザ光Ｌｍは、コリメータレンズ４１および集光レンズ４２によりＰＰＫＴＰ結晶に集光され、ＰＰＬＴＰ結晶により第二高調波（ＳＨＧ）に変換された光は、フィルタ４４を透過して出力光Ｌｗとして本実施形態の超短パルスレーザ光源１から出力される。
【００５２】
上記の非変調時の超短パルスレーザ光Ｌｍを非線形光学素子で第２高調波に変化することにより、波長５２２ｎｍ、パルス幅４５０ｆsec、平均出力４０ｍＷ、ピークパワー３０Ｗの緑色の超短パルスレーザ光を得ることができた。また、変調手段３０により、フォトディテクタ２２にからの電気信号をクロック信号として用いた変調制御を行うことにより、任意のタイミングで緑色パルス光を取り出すこともできた。
【００５３】
本実施形態の超短パルスレーザ光源を用いることにより極めて実用的な２光子吸収記録媒体への記録が実現可能となる。
【００５４】
上記構成例では固体レーザ媒質として、Ｙｂ：ＫＹＷを用いたが、固体レーザ媒質のレーザ結晶および添加物（希土類あるいは遷移金属）との組合せを適宜選択することにより、７６０ｎｍ〜１１００ｎｍの発振波長を達成可能であり、ＳＨＧ素子と組み合わせることにより、第２高調波としては、３８０ｎｍ〜５５０ｎｍの波長のレーザ光を出力可能である。
【００５５】
＜２光子吸収記録媒体の記録再生装置＞
次に、上述の超短パルスレーザ光源１を備えた、本発明の２光子吸収記録媒体の記録装置の実施形態として、２光子吸収記録媒体から情報を読み出すための再生機能をさらに備えた記録再生装置２について説明する。
【００５６】
図２は、本実施形態の２光子吸収記録媒体の記録再生装置２の概略構成図を示すものである。本実施形態の記録再生装置２において記録および再生に供される記録媒体１０２の記録層１０２ａには２光子吸収材料が備えられており、例えば、波長３８０〜５５０ｎｍの記録光の照射により２光子吸収を生じて情報記録が可能なものである。記録層は、読出し光の屈折率を変化させた反射光（波長は読出し光と同一）を信号光として生じるものであってもよいし、読出し光の照射により信号光として、例えば波長４２０〜７００ｎｍの蛍光を生じるものであってもよいが、本実施形態においては、信号光として蛍光を生じるものを用いている場合について説明する。
【００５７】
本実施形態の２光子吸収記録媒体記録再生装置２は、２光子吸収記録媒体１０２の記録層１０２ａに対して、２光子吸収を誘起して情報を記録するための記録光Ｌｗとして、繰り返し周波数１ＧＨｚ以上の超短パルスレーザ光を出力する、上述の超短パルスレーザ光源１と、２光子吸収記録媒体１０２から情報を読み出すための読取光Ｌｒを出力する読出用レーザ光源１０４と、読取光Ｌｒが照射された２光子吸収記録媒体１０２からの信号光（ここでは、蛍光）Ｌｓを検出する光検出器１０５とを備えている。
【００５８】
また、本記録再生装置２は、超短パルスレーザ光源１からの超短パルスレーザ光Ｌｗをコリメートするコリメータレンズ７０、超短パルスレーザ光Ｌｗを記録媒体１０２に向けて反射し、読取光Ｌｒを透過させるダイクロイックビームスプリッタ１０９、ダイクロイックビームスプリッタ１０９と記録媒体１０２との間に、ハーフミラー１１０および対物レンズ１１２を備えている。対物レンズ１１２は収差補正機能を有している。記録光である超短パルスレーザ光Ｌｗは、ダイクロイックビームスプリッタ１０９で反射され、ハーフミラー１１０、対物レンズ１１２を介して記録媒体１０２上に照射される。また、読み出し光源１０４からの読取光Ｌｒは、ダイクロイックビームスプリッタ１０９、ハーフミラー１１０および対物レンズ１１２を介し記録媒体１０２上に照射される。
【００５９】
記録媒体１０２と、記録媒体１０２からの信号光Ｌｓを検出する光検出器１０５との間には、信号光Ｌｓを透過し、記録光波長を反射するダイクロイックビームスプリッタ１１３および共焦点光学系が配置されている。共焦点光学系は、レンズ１２１ａ、１２１ｂおよびピンホール１２２からなる。信号光Ｌｓはハーフミラー１１０により反射され、ダイクロイックビームスプリッタ１１３を透過して共焦点光学系を経て光検出器１０５により検出される。
【００６０】
また、本記録再生装置は、記録光Ｌｗの集光位置を記録媒体の記録層における深さ方向に変化させる機構として、対物レンズ１１２を光軸に沿って移動させる駆動機構１１９を備えている。集光位置の補正手段として、ダイクロイックビームスプリッタ１１３で反射された戻り光Ｌｗ’を検出する光検出器１０６を備えており、駆動機構１１９は、光検出器１０６か羅の信号を受け、焦点位置の補正を行うよう構成されている。ダイクロイックビームスプリッタ１１３と光検出器１０６との間には、レンズ１２４ａ、１２４ｂおよびピンホール１２５からなる共焦点光学系を備えている。
なお、対物レンズを移動させる駆動機構１１９の代わりに記録媒体をレーザ光の軸方向に移動する機構を備え、記録媒体を軸方向に移動させることにより焦点位置の集光深さ方向に変化させるよう構成することもできるし、両者を移動可能に構成してもよい。
【００６１】
読出用レーザ光源１０４は、対象となる２光子記録媒体に応じた読取光Ｌｒを出力することができるものであればよい。
【００６２】
上記構成の２光子吸収記録媒体の記録再生装置２においては、情報の記録時には、超短パルスレーザ光源１が、記録すべき情報に応じて強度変調器により変調させた超短パルスレーザ光Ｌｗを出力して、該パルスレーザＬｗを記録媒体１０２に対して照射させることにより、記録媒体１０２の記録層への情報の書き込みを行う。光源１から出力されたパルスレーザ光Ｌｗは、ダイクロイックビームスプリッタ１０９により記録媒体１０２に向けて反射され、ハーフミラー１１０および対物レンズ１１２を経て記録媒体１０２に照射される。このとき、対物レンズ１１２が駆動機構１１９により駆動され、所望の深さ方向位置にパルスレーザ光Ｌｗを集光させる。このレーザ光Ｌｗの集光領域のみで２光子吸収が生じ、集光領域の材料物性が変化し、読出し光の照射により蛍光を生じる化合物となる。なお、パルスレーザ光Ｌｗの照射時に、記録媒体１０２からの戻り光Ｌｗ’は、パルスレーザ光Ｌｗの光軸上を逆向きに進行し、ハーフミラー１１０により反射され、さらにダイクロイックビームスプリッタ１１３で反射されて、共焦点光学系を介して光検出器１０６により検出され、光検出器１０６からの信号により駆動機構１１９は、焦点位置の補正を行う。
【００６３】
一方、読出し時には、読出用レーザ光源１０４からの読取光Ｌｒはダイクロイックビームスプリッタ１０９を透過して、記録用のパルスレーザ光Ｌｗの光軸と同軸上を進行し、ハーフミラー１１０、対物レンズ１１２を経て記録媒体１０２の記録層１０２ａに照射される。この照射により、記録領域からは蛍光が信号光Ｌｓとして発生する。この信号光Ｌｓが、読取光Ｌｒの光軸上を逆向きに進行し、ハーフミラー１１０により反射されて、ダイクロイックビームスプリッタ１１３および共焦点光学系を介して光検出器１０５により検出されることにより情報の読出しがなされる。
【００６４】
このように、本記録再生装置２は、上述の超短パルスレーザ光源１を備えているので、記録すべき情報に応じて変調された緑色パルス光を記録光として用い、実用的な２光子吸収記録媒体へ記録を実現することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１ 超短パルスレーザ光源
２ ２光子吸収記録媒体記録再生装置
１０ ソリトンモード同期固体レーザ
１１ 半導体レーザ
１２ セルフォックレンズ
１３ 励起光学系
１４ 半導体可飽和吸収ミラー
１６ 固体レーザ媒質
１８ ダイクロイックミラー
１９ 負分散ミラー（負群速度分散補償素子）
２０ ビームスプリッタ
２２ フォトディテクタ
２４ ローパスフィルタ
２５ ＬＤ駆動ドライバ
３０ 強度変調手段
３１ 導波路型電気光学変調素子
３２ 駆動ドライバ
３５ 群速度分散補償素子
４０ 非線形光学素子
１０２ 記録媒体
１０２ａ 記録層
１０４ 読出用レーザ光源
１０５、１０６ 光検出器
１０９、１１３ ダイクロイックビームスプリッタ
１１０ ハーフミラー
１１２ 対物レンズ
１１９ 駆動機構
Ｌ 発振光（ソリトンパルスレーザ光）
Ｌｒ 読取光
Ｌｓ 信号光
Ｌｗ 記録光（高調波超短パルスレーザ光）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、情報に応じて変調可能な超短波パルス光源、およびその超短波パルス光源を備えた、非共鳴同時２光子吸収を利用して情報を記録することが可能な２光子吸収材料記録媒体への情報記録を行うための記録装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
次世代高密度光記録方法として、非共鳴同時２光子吸収（以下において、単に「２光子吸収」という。）と称される非線形光学現象を利用した記録方法が注目されている。２光子吸収材は光密度が高い光の焦点でのみ誘起されるため、２光子吸収記録媒体を用いた光ディスクは面内のみならず、深さ方向に多層に記録ができることから、大容量化が可能となる。
【０００３】
しかしながら、現状の２光子吸収材料の多くは２光子吸収効率が極めて低いため、従来の報告例では、情報書き込みを行うためのレーザ光源にはピークパワーの極めて高いチタンサファイアレーザのような大型のモード同期超短パルス固体レーザが用いられている。
【０００４】
具体的には、上述のような２光子吸収材料を用いた記録媒体に対する情報記録を行うための記録装置が、特許文献１、２等に提案されている。
【０００５】
特許文献１には、多光子吸収材料との組合せにおいて、情報記録を行うための光源として、１ｐｓ以下のパルス幅および１ｋＨｚ以上の周波数のパルスレーザを発振する光源を備えた光記録再生装置が提案されており、特に、パルスレーザの波長は、多光子吸収材料の光吸収スペクトルの中心波長λａのｎ倍とすることについて開示されている。
【０００６】
特許文献２は、記録しきい値エネルギーが10ｎＪ以下の記録材料（多光子吸収材料）を有する記録媒体に対して、１ｐｓ以下のパルス幅のレーザ光を用い、レーザ光を記録媒体に集光する対物レンズとして開口数ＮＡが０．６以上のものを用いることが提案されている。
【０００７】
特許文献１および２では、具体的には中心波長８００ｎｍ、パルス幅約１００ｆｓ、繰り返し周波数８０ＭＨｚのTi:Sapphire Laserであるスペクトラ・フィジックス社製のＭａｉＴａｉ（登録商標）を用いる例が挙げられている。
【０００８】
その他、汎用超短パルスレーザとしては、イムラ社のファイバモード同期レーザなどもある。しかしながら、チタンサファイアモード同期レーザは、高価、大型かつ不安定であり、実用的な光源ではない。また、ファイバモード同期レーザは、チタンサファイアモード同期レーザと比較して、小型、低コストではあるが、パルスの繰り返し周波数が５０ＭＨｚ程度であり、高い転送レートでの書込みが不可能である。記録容量の向上に伴い、高い転送レートでの書き込みを行えないと、書込みに膨大な時間を要することとなり、やはり実用的な光源とはいえない。
【０００９】
一方、近年、ＮｄまたはＹｂをドープした固体レーザ媒質と可飽和半導体ミラーを用いたモード同期固体レーザにおいて、ＧＨｚ帯の繰り返し周波数を実現し、低価格、小型、高安定性なレーザが、例えば特許文献３において提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−１６４４５１号公報
【特許文献２】特開２００６−１９６０８４号公報
【特許文献３】特開２００８−２８３７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献３に記載のような小型のモード同期固体レーザを用いることにより、実用的な２光子記録装置の実現が期待される。しかしながら、より記録容量を高めることが望ましい。そこで、上述の小型モード同期固体レーザにおいて、ＮｂまたはＹｂなどをドープした固体レーザ媒質の発振波長は１μｍ近傍であることから、この発振光を、非線形光学素子により第２高調波として緑色光とし、この緑色光を記録光として用いることが考えられる。緑色光による２光子吸収記録を用いれば、１層当たりブルーレイディスク（ＢＤ）と同等の記録密度を達成可能となる。
【００１２】
ここで、現実に所望の情報に応じた記録を行う場合には、記録光を所望の情報に応じて変調する必要がある。しかしながら、特許文献１、２等においては、光変調の具体的な方法は記載されていない。既存の光ディスク記録装置において、記録光の光変調に用いられているバルク体の電気光学変調素子は、ＧＨｚ帯には対応できず、ＧＨｚ帯の繰り返しの緑色パルスの光変調をいかに行うかが問題となる。光通信で用いられている導波路型電気光変調器が有望と考えられるが、可視帯域の波長で使用可能なものは作製が困難である。
【００１３】
本願発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、２光子吸収記録媒体に対して高速、かつ安定に情報記録が可能な、実用的な超短パルスレーザ光源およびそれを備えた２光子吸収記録媒体記録装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の超短パルスレーザ光源は、一端が半導体可飽和吸収ミラーにより構成されてなる共振器と、該共振器内に備えられた、希土類もしくは遷移金属が添加されている固体レーザ媒質と、該共振器内における群速度分散を制御するための負群速度分散補償素子と、前記固体レーザ媒質を励起する励起光を出力する励起光学系とを備え、繰り返し周波数１ＧＨｚ以上ソリトンパルスレーザ光を発振するソリトンモード同期固体レーザと、
前記ソリトンモード同期固体レーザから発振された前記ソリトンパルスレーザ光の強度変調を行うための、導波路型電気光学変調素子および該導波路型電気光学変調素子に所望の情報に応じた電圧を印加する駆動ドライバを備えた強度変調手段と、
該強度変調手段により強度変調された前記ソリトンパルスレーザ光を、第２高調波に変換する非線形光学素子とを有していることを特徴とするものである。
【００１５】
前記ソリトンモード同期固体レーザと前記導波路型電気光学変調素子との間に、前記ソリトンパルスレーザ光が該導波路型電気光学変調素子を通過することにより生じる群速度分散を補償する群速度分散補償素子を備えることが望ましい。
【００１６】
ソリトンモード同期固体レーザとしては、ピークパワー１００Ｗ（平均出力０．０５Ｗ）以上、パルス幅１ｐsec以下のソリトンパルスレーザ光を発振するものであることが望ましい。また、共振器が直線型共振器であり、共振器長は１５０ｍｍ以下、さらには７５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１７】
さらに、前記ソリトンモード同期固体レーザから発振された前記ソリトンパルスレーザ光の一部を分割する、前記ソリトンモード同期固体レーザと前記導波路型電気光学変調素子との間に配置された光分割手段と、該光分割手段により分割された前記ソリトンパルスレーザ光を検出する光検出器とを備え、該光検出器からの電気信号を、前記導波路型電気光学変調素子に対して前記所望の情報に応じて印加される電圧の、クロック信号として使用することが望ましい。
【００１８】
また、前記光検出器からの電気信号に基づいて、前記ソリトンモード同期固体レーザから安定した平均出力で前記ソリトンパルスレーザ光が発振されるように、前記励起光のパワーを制御する励起光駆動制御手段を備えていることが望ましい。
【００１９】
前記導波路型電気光学変調素子としては、ＬiＮｂＯ３からなるものが好適である。
【００２０】
前記非線形光学素子としては、周期分極反転ＬｉＮｂＯ３素子、周期分極反転ＬｉＴａＯ３素子および、周期分極反転ＫＴｉＯＰＯ４のうちのいずれかが好適である。
【００２１】
前記負群速度分散補償素子が、負分散量が−３０００ｆｓ２以上かつ０ｆｓ２以下であり、透過率が０．１％以上かつ３％以下である負分散ミラーからなり、該負分散ミラーが前記共振器の他端を構成しているものであることが望ましい。
【００２２】
本発明の２光子吸収記録媒体記録装置は、上記本発明の超短パルスレーザ光源を、２光子吸収記録媒体に対して情報を記録するための記録光光源として備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の超短パルスレーザ光源は、ソリトンモード同期固体レーザからの発振された繰り返し周波数１ＧＨｚ以上のソリトンパルスレーザ光を、強度変調手段により変調した後に、第２高調波に変換するように構成しており、第２高調波に変換する前の、基本波で強度変調を行うので、強度変調手段として、既存の導波路型電気光学変調素子を用いることができる。この超短パルスレーザ光源を用いれば、２光子吸収記録媒体への情報記録が可能である。特に、繰り返し周波数１ＧＨｚ以上、ピークパワー１００Ｗ以上、パルス幅１ｐsec以下の超短パルスレーザ光を用いれば、極めて実用的な高い転送レートでの情報記録を実現することができる。本超短パルスレーザ光源は、小型のソリトンモード同期固体レーザを用いることができるので、全体として小型に構成することができ、安定かつコストを抑制した実用的な記録再生装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態の超短パルスレーザ光源
【図２】本発明の実施形態の２光吸収記録媒体記録装置
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照して本発明の超短パルスレーザ光源および２光子吸収記録媒体の記録装置の実施形態について説明する。
【００２６】
「超短パルスレーザ光源」
まず、本実施形態の超短パルスレーザ光源１について説明する。図１は、本実施形態における超短パルスレーザ光源１の概略構成を示す模式図である。図示の通り、本実施形態の超短パルスレーザ光源１は、繰り返し周波数１ＧＨｚ以上、ピークパワー１００Ｗ以上、パルス幅１ｐsec以下のソリトンパルスレーザ光を発振するソリトンモード同期固体レーザ１０と、ソリトンモード同期固体レーザ１０から発振されたソリトンパルスレーザ光Ｌの強度変調を行うための、導波路型電気光学変調素子３１および該導波路型電気光学変調素子３１に所望の情報に応じた電圧を印加する駆動ドライバ３２とを備えた強度変調手段３０と、該強度変調手段３０により強度変調されたソリトンパルスレーザ光Ｌｍを、第２高調波に変換する非線形光学素子４０とを有してなる。
【００２７】
ソリトンモード同期固体レーザ１０は、共振器の一端を構成するＳＥＳＡＭ（半導体可飽和吸収ミラー）１４と、共振器の他端を構成する出力ミラーを兼ねた負分散ミラー１９と、このＳＥＳＡＭ１４および負分散ミラー１９で構成される共振器の内部に配置された固体レーザ媒質１６と励起光Ｌ０を共振器光軸に対して斜め方向から入力させる励起光学系１３と、共振器光軸に対してブリュースタ角になるように共振器内に配置され、励起光学系１３により入射された励起光Ｌ０を、固体レーザ媒質１６に向けて反射すると共に、共振器内で共振する発振光Ｌを透過する、共振器内に配されたダイクロイックミラー１８とから構成されている。
励起光学系１３は励起光Ｌ０を射出する半導体レーザ１１と励起光Ｌ０を固体レーザ媒質上で収束させるためのセルフォックレンズ１２を備えている。
【００２８】
以上の構成においては、励起光学系１３により共振器光軸に対して斜めに入射された励起光Ｌ０がダイクロイックミラー１８により反射されて固体レーザ媒質１６に入力され、これによって固体レーザ媒質１６が励起されて発生した光が共振器の作用で発振する。レーザ発振光（パルスレーザ光）Ｌは出力ミラー（負分散ミラー）１９を一部透過し外部に出力される。本構成の装置においては、共振器内で共振するレーザ発振光ＬのビームウェストがＳＥＳＡＭ１４上にのみ形成されている。なお、固体レーザ媒質１６とＳＥＳＡＭ１４とは、固体レーザ媒質１６に発振光Ｌのビームウェストが形成されていなくても十分な発振を行うことができる程度に近接配置されている。
【００２９】
固体レーザ媒質１６としては、例えば、７６０ｎｍ〜１１００ｎｍ程度の範囲で発振波長を実現できる固体レーザ結晶のうち、対象とする記録媒体の特性に応じた発振波長を実現できる固体レーザ結晶を適宜選択して使用する。具体的には、Ｙｂ：ＫＧＷ（ＫＧｄ（ＷＯ４）２）、Ｙｂ：ＫＹＷ（ＫＹ（ＷＯ４）２）、Ｙｂ：ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）、Ｙｂ：Ｙ２Ｏ３、Ｙｂ：Ｓｃ２Ｏ３、Ｙｂ：Ｌｕ２Ｏ３、Ｙｂ：ＧｄＣＯＢ（Ｃａ４ＧｄＯ（ＢＯ３）３）、Ｙｂ：ＳＹＳ（ＳｒＹ４（ＳｉＯ４）３）、Ｙｂ：ＢＯＹＳ（Ｓｒ３Ｙ（ＢＯ３）３）、Ｙｂ：ＹＶＯ４、Ｙｂ：ＧｄＶＯ４、Ａｌｅｘａｎｄｒｉｔｅ（Ｃｒ：ＢｅＡｌ２Ｏ４）、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ（ＬｉＳｒＡｌＦ６）、Ｃｒ：ＬｉＳＧＡＦ（ＬｉＳｒＧａＦ６）、Ｃｒ：ＬｉＣＡＦ（ＬｉＣａＡｌＦ６）、Ｃｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅ（Ｍｇ２ＳｉＯ４）、Ｃｒ：ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）、Ｃｒ：Ｃａ２ＧｅＯ４、Ｔｉ：Ａｌ２Ｏ３、Ｎｄ：Ｇｌａｓｓ、及びＥｒ：Ｙｂ：Ｇｌａｓｓなどが挙げられる。なお、例えば、Ｙｂ：ＫＹＷにより１０４５ｎｍ、Ｙｂ:ＹＡＧにより１０３０ｎｍ〜１１００ｎｍ、Ｙｂ:ＫＧＷにより１０００ｎｍあるいは１０４５ｎｍ、Ｙｂ：Ｙ2Ｏ3により１０７５ｎｍ、Ｙｂ:Ｓｃ2Ｏ3により、１０４１ｎｍ、Ｎｄ：Ｇｌａｓｓにより１０６０ｎｍのそれぞれ発振波長を得ることができる。またＣｒ:ＬｉＳＡＦ、Ｃｒ:ＬｉＣＡＦ、アレキサンドライトなどを用いれば、７６０ｎｍ〜１０００ｎｍの発振波長を得ることができる。
【００３０】
また、固体レーザ媒質１６の厚みと希土類の添加濃度は、励起光を十分に、例えば９０％の効率で吸収することが出来るように設定する。
【００３１】
負分散ミラー１９は、共振器内の群速度分散を補償し、かつ、共振器内の光パルスの高いピークパワーにより固体レーザ媒質１６において生ずる自己位相変調による正のチャープも補償する役割を担う。分散量は動作条件にも依存するが、０〜−３０００ｆsec２程度の範囲内の分散量であることが好ましい。なお、分散量は、共振器内の全体の群速度分散が０以下となるように設定する。また、負分散ミラー１９の透過率Ｔは、ミラー設計により、例えば出力結合率をおよそ０．５〜３％程度の範囲内に設定することで、最適な出力取り出しが可能である。
【００３２】
負分散ミラー１９の曲率半径は、共振器のガウスビーム伝搬設計により算出決定されるが、共振器スポット径（発振光のビームウェスト）を出来るだけ小さくするため、おおよそ共振器長と同程度の曲率半径を持たせ、ヘミスフェリカル型とすることが好適である。これにより、共振器スポットをおよそ５０μｍ直径程度に抑えることができ、短共振器長化に伴うＱスイッチ現象を回避することができる。また、これと同時に、励起光のスポット径との空間的な整合を良好に取ることができ、高効率化を図ることができる。
【００３３】
ダイクロイックミラー１８は、励起光Ｌ０の波長に対して高反射で、発振光Ｌの波長に対して低反射のコーティングが施されており、これにより高効率な励起及び低内部損失が実現される。
【００３４】
本実施形態のモード同期固体レーザ１０は、共振器長は１５０ｍｍ以下、さらには７５ｍｍ以下であることが好ましい。また、共振器長１５０ｍｍ以下とすることにより繰り返し周波数を１ＧＨｚ以上、７５ｍｍ以下とすることにより繰り返し周波数２ＧＨｚ以上が実現できる。
【００３５】
本実施形態のモード同期固体レーザ１０は、負分散ミラー１９から出力された発振光Ｌの一部を反射するビームスプリッタ２０、ビームスプリッタ２０により反射された発振光Ｌの一部を受光して電気信号に変換する光検出器（フォトディテクタ）２２を備え、フォトディテクタ２２からの電気信号を、強度変調手段３０において、駆動ドライバ３２が電気光学変調素子３１に対して電圧を印加する際のクロック信号として用いている。
【００３６】
また、フォトディテクタ２２からの電気信号は、ローパスフィルタ２４を介して半導体レーザ１１の出力を制御するＬＤ駆動ドライバ２５にも入力され、フォトディテクタ２２で検出される光強度が略一定となるように半導体レーザ１１に印加する電圧を制御するために用いられている。すなわち、本実施形態においては、ビームスプリッタ２０、フォトディテクタ２２、ローパスフィルタ２４およびＬＤ駆動ドライバ２５により、励起光駆動制御手段が構成されている。
【００３７】
導波路型電気光学変調素子３１としては、ＬｉＮｂＯ３からなるものが好適である。導波路型の変調素子はロスが大きいことから、一般に、従来の光ディスク記録装置においては用いられていない。しかしながら、ソリトンモード同期固体レーザ１０は導波路型の変調素子におけるロスにも十分に耐えうる出力を行うことができる。また、ソリトンパルスレーザ光Ｌは、導波路型電気光学変調素子３１を通過する際、正のチャープを受けるためにパルス幅が広がり、さらに平均出力が低下するが、本実施形態の超短パルスレーザ光源１は、ソリトンモード同期固体レーザ１０と、導波路型電気光学変調素子３１との間に、ソリトンパルスレーザ光Ｌが導波路型電気光学変調素子３１を通過することにより生じる群速度分散を補償する群速度分散補償素子３５を備えている。この群速度分散補償素子３５を備えているので、導波路型電気光学変調素子３１により生じる正のチャープを補償し、パルス幅の広がりを抑制することができる。なお、光学変調素子３１によるパルス幅の広がりが許容範囲であれば、群速度分散補償素子３５は備えなくてもよい。
【００３８】
非線形光学素子としてはモード同期固体レーザ１０の発振光波長に対し分極反転周期が最適な値に設定された周期分極反転素子を用いる。具体的には、ＰＰＫＴＰ(周期分極反転ＫＴｉＯＰＯ４)、ＰＰＬＮ（周期分極反転ＬｉＮｂＯ３）、ＰＰＬＴ(周期分極反転ＬｉＴａＯ３)が好適である。
【００３９】
なお、本実施形態の超短パルスレーザ光源１は、さらにソリトンモード同期固体レーザ１０から発振されたレーザ光Ｌを光学変調素子３１に集光する集光レンズ３６、光学変調素子３１により変調されたレーザ光Ｌｍをコリメートするコリメータレンズ４１、さらにそのレーザ光Ｌｍを非線形光学素子４０に集光する集光レンズ４２、非線形光学素子４０から出力された光をコリメートするコリメータレンズ４３を備えている。また、非線形光学素子４０を透過した近赤外光と第２高調波とを分離するためのフィルタ４４を備えている。フィルタ４４により透過されるのは第２高調波超短パルスレーザ光Ｌｗである。
【００４０】
次に、上記一実施形態のモード同期固体レーザ１０のレーザ構成部品について、具体的な構成例（実施例）を説明する。
【００４１】
励起光学系１３の半導体レーザ１１としては、例えば中心波長９８０ｎｍ、エミッタ幅５０μｍ、最大出力２．７Ｗの励起光を出力する半導体レーザ（オプトエナジー社製）を用いた。セルフォックレンズ１２は、半導体レーザ１１から出射された励起光を集光スポット径が略５０μｍφとなるように固体レーザに集光させるものである。
【００４２】
固体レーザ媒質１６として、厚みが１．５ｍｍ、Ｙｂの添加濃度が５ａｔ％のＹｂ:ＫＹＷ（Ｙｂ：ＫＹ(ＷＯ4）2）を用いた。固体レーザ媒質１６の両面は光学研磨され、発振光の波長１０４５±１０ｎｍに対し反射率が０．２％以下の反射防止コーティングが施されている。
【００４３】
ＳＥＳＡＭ１４としては、波長１０４５ｎｍに対し、変調深さ（ΔＲ）が０．４％、飽和フルーエンス（Ｆsat）が７０μＪ／ｃｍ２のものを用いた。
【００４４】
負分散ミラー１９は、凹面側に、分散量が−８００ｆsec２、発振光の波長１０４５±１０ｎｍの透過率が１．８％となるコーティングが施されており、平面側に発振光の波長１０４５±１０ｎｍに対し、反射率が１％以下の反射防止コーティングが施されている。また、ミラー面（凹面）の曲率半径は５０ｍｍである。
負分散ミラー１９とＳＥＳＡＭ１４との距離、すなわち共振器長は約５０ｍｍとした。
【００４５】
ダイクロイックミラー１８は、励起光の波長に対して反射率が９５％以上で、発振光の波長に対して反射率が０．２％以下のコーティングが施されているものを用いた。
【００４６】
本発明者は、上記構成例のモード同期固体レーザ１０により、中心波長１０４５ｎｍ、平均出力７００ｍＷ、パルス幅２２０ｆsec、繰り返し周波数２．８５ＧＨｚの超短パルスレーザ光を出力できることを確認した。
【００４７】
ビームスプリッタ２０としては、発振光の波長１０４５±１０ｎｍに対し、反射率が１％の反射防止コーティングが施された石英板を用いた。この石英板により反射された光が高速フォトディテクタ２２により検出される。一方、石英板を通過したパルスレーザ光Ｌを群速度分散素子に集光するための集光レンズ３６としては、焦点距離４．５ｍｍのマクロアートレンズを用いた。
【００４８】
本構成例では、群速度分散補償素子３５を備えず、マクロアートレンズは、パルスレーザ光Ｌを、導波路型電気光学変調素子３１に接続されている図示しないファイバに結合するように構成した。
導波路型電気光学変調素子３１としては、Photoline technologies社のNIR-MX-LN-seriesを用いた。
【００４９】
上記構成により、モード同期固体レーザからのパルスレーザ光Ｌを、導波路型電気光学変調素子３１に約７０％カップリングすることができ、非変調（電圧ＯＦＦ）時に平均出力５００ｍＷ、パルス幅４００ｆsecのパルスレーザ光を電気光学変調素子３１から出力させることができた。なお、群速度分散補償素子３５を備えた場合、平均出力４００ｍＷ、パルス幅２５０ｆｓとすることができた。
【００５０】
非線形光学素子４０としては、発振波長１０４５ｎｍに対応した反転ドメインが形成されている、長さ４．８ｍｍのＰＰＫＴＰ結晶を用いた。
【００５１】
電気光学変調素子３１から出力したレーザ光Ｌｍは、コリメータレンズ４１および集光レンズ４２によりＰＰＫＴＰ結晶に集光され、ＰＰＬＴＰ結晶により第二高調波（ＳＨＧ）に変換された光は、フィルタ４４を透過して出力光Ｌｗとして本実施形態の超短パルスレーザ光源１から出力される。
【００５２】
上記の非変調時の超短パルスレーザ光Ｌｍを非線形光学素子で第２高調波に変化することにより、波長５２２ｎｍ、パルス幅４５０ｆsec、平均出力４０ｍＷ、ピークパワー３０Ｗの緑色の超短パルスレーザ光を得ることができた。また、変調手段３０により、フォトディテクタ２２にからの電気信号をクロック信号として用いた変調制御を行うことにより、任意のタイミングで緑色パルス光を取り出すこともできた。
【００５３】
本実施形態の超短パルスレーザ光源を用いることにより極めて実用的な２光子吸収記録媒体への記録が実現可能となる。
【００５４】
上記構成例では固体レーザ媒質として、Ｙｂ：ＫＹＷを用いたが、固体レーザ媒質のレーザ結晶および添加物（希土類あるいは遷移金属）との組合せを適宜選択することにより、７６０ｎｍ〜１１００ｎｍの発振波長を達成可能であり、ＳＨＧ素子と組み合わせることにより、第２高調波としては、３８０ｎｍ〜５５０ｎｍの波長のレーザ光を出力可能である。
【００５５】
＜２光子吸収記録媒体の記録再生装置＞
次に、上述の超短パルスレーザ光源１を備えた、本発明の２光子吸収記録媒体の記録装置の実施形態として、２光子吸収記録媒体から情報を読み出すための再生機能をさらに備えた記録再生装置２について説明する。
【００５６】
図２は、本実施形態の２光子吸収記録媒体の記録再生装置２の概略構成図を示すものである。本実施形態の記録再生装置２において記録および再生に供される記録媒体１０２の記録層１０２ａには２光子吸収材料が備えられており、例えば、波長３８０〜５５０ｎｍの記録光の照射により２光子吸収を生じて情報記録が可能なものである。記録層は、読出し光の屈折率を変化させた反射光（波長は読出し光と同一）を信号光として生じるものであってもよいし、読出し光の照射により信号光として、例えば波長４２０〜７００ｎｍの蛍光を生じるものであってもよいが、本実施形態においては、信号光として蛍光を生じるものを用いている場合について説明する。
【００５７】
本実施形態の２光子吸収記録媒体記録再生装置２は、２光子吸収記録媒体１０２の記録層１０２ａに対して、２光子吸収を誘起して情報を記録するための記録光Ｌｗとして、繰り返し周波数１ＧＨｚ以上の超短パルスレーザ光を出力する、上述の超短パルスレーザ光源１と、２光子吸収記録媒体１０２から情報を読み出すための読取光Ｌｒを出力する読出用レーザ光源１０４と、読取光Ｌｒが照射された２光子吸収記録媒体１０２からの信号光（ここでは、蛍光）Ｌｓを検出する光検出器１０５とを備えている。
【００５８】
また、本記録再生装置２は、超短パルスレーザ光源１からの超短パルスレーザ光Ｌｗをコリメートするコリメータレンズ７０、超短パルスレーザ光Ｌｗを記録媒体１０２に向けて反射し、読取光Ｌｒを透過させるダイクロイックビームスプリッタ１０９、ダイクロイックビームスプリッタ１０９と記録媒体１０２との間に、ハーフミラー１１０および対物レンズ１１２を備えている。対物レンズ１１２は収差補正機能を有している。記録光である超短パルスレーザ光Ｌｗは、ダイクロイックビームスプリッタ１０９で反射され、ハーフミラー１１０、対物レンズ１１２を介して記録媒体１０２上に照射される。また、読み出し光源１０４からの読取光Ｌｒは、ダイクロイックビームスプリッタ１０９、ハーフミラー１１０および対物レンズ１１２を介し記録媒体１０２上に照射される。
【００５９】
記録媒体１０２と、記録媒体１０２からの信号光Ｌｓを検出する光検出器１０５との間には、信号光Ｌｓを透過し、記録光波長を反射するダイクロイックビームスプリッタ１１３および共焦点光学系が配置されている。共焦点光学系は、レンズ１２１ａ、１２１ｂおよびピンホール１２２からなる。信号光Ｌｓはハーフミラー１１０により反射され、ダイクロイックビームスプリッタ１１３を透過して共焦点光学系を経て光検出器１０５により検出される。
【００６０】
また、本記録再生装置は、記録光Ｌｗの集光位置を記録媒体の記録層における深さ方向に変化させる機構として、対物レンズ１１２を光軸に沿って移動させる駆動機構１１９を備えている。集光位置の補正手段として、ダイクロイックビームスプリッタ１１３で反射された戻り光Ｌｗ’を検出する光検出器１０６を備えており、駆動機構１１９は、光検出器１０６か羅の信号を受け、焦点位置の補正を行うよう構成されている。ダイクロイックビームスプリッタ１１３と光検出器１０６との間には、レンズ１２４ａ、１２４ｂおよびピンホール１２５からなる共焦点光学系を備えている。
なお、対物レンズを移動させる駆動機構１１９の代わりに記録媒体をレーザ光の軸方向に移動する機構を備え、記録媒体を軸方向に移動させることにより焦点位置の集光深さ方向に変化させるよう構成することもできるし、両者を移動可能に構成してもよい。
【００６１】
読出用レーザ光源１０４は、対象となる２光子記録媒体に応じた読取光Ｌｒを出力することができるものであればよい。
【００６２】
上記構成の２光子吸収記録媒体の記録再生装置２においては、情報の記録時には、超短パルスレーザ光源１が、記録すべき情報に応じて強度変調器により変調させた超短パルスレーザ光Ｌｗを出力して、該パルスレーザＬｗを記録媒体１０２に対して照射させることにより、記録媒体１０２の記録層への情報の書き込みを行う。光源１から出力されたパルスレーザ光Ｌｗは、ダイクロイックビームスプリッタ１０９により記録媒体１０２に向けて反射され、ハーフミラー１１０および対物レンズ１１２を経て記録媒体１０２に照射される。このとき、対物レンズ１１２が駆動機構１１９により駆動され、所望の深さ方向位置にパルスレーザ光Ｌｗを集光させる。このレーザ光Ｌｗの集光領域のみで２光子吸収が生じ、集光領域の材料物性が変化し、読出し光の照射により蛍光を生じる化合物となる。なお、パルスレーザ光Ｌｗの照射時に、記録媒体１０２からの戻り光Ｌｗ’は、パルスレーザ光Ｌｗの光軸上を逆向きに進行し、ハーフミラー１１０により反射され、さらにダイクロイックビームスプリッタ１１３で反射されて、共焦点光学系を介して光検出器１０６により検出され、光検出器１０６からの信号により駆動機構１１９は、焦点位置の補正を行う。
【００６３】
一方、読出し時には、読出用レーザ光源１０４からの読取光Ｌｒはダイクロイックビームスプリッタ１０９を透過して、記録用のパルスレーザ光Ｌｗの光軸と同軸上を進行し、ハーフミラー１１０、対物レンズ１１２を経て記録媒体１０２の記録層１０２ａに照射される。この照射により、記録領域からは蛍光が信号光Ｌｓとして発生する。この信号光Ｌｓが、読取光Ｌｒの光軸上を逆向きに進行し、ハーフミラー１１０により反射されて、ダイクロイックビームスプリッタ１１３および共焦点光学系を介して光検出器１０５により検出されることにより情報の読出しがなされる。
【００６４】
このように、本記録再生装置２は、上述の超短パルスレーザ光源１を備えているので、記録すべき情報に応じて変調された緑色パルス光を記録光として用い、実用的な２光子吸収記録媒体へ記録を実現することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１ 超短パルスレーザ光源
２ ２光子吸収記録媒体記録再生装置
１０ ソリトンモード同期固体レーザ
１１ 半導体レーザ
１２ セルフォックレンズ
１３ 励起光学系
１４ 半導体可飽和吸収ミラー
１６ 固体レーザ媒質
１８ ダイクロイックミラー
１９ 負分散ミラー（負群速度分散補償素子）
２０ ビームスプリッタ
２２ フォトディテクタ
２４ ローパスフィルタ
２５ ＬＤ駆動ドライバ
３０ 強度変調手段
３１ 導波路型電気光学変調素子
３２ 駆動ドライバ
３５ 群速度分散補償素子
４０ 非線形光学素子
１０２ 記録媒体
１０２ａ 記録層
１０４ 読出用レーザ光源
１０５、１０６ 光検出器
１０９、１１３ ダイクロイックビームスプリッタ
１１０ ハーフミラー
１１２ 対物レンズ
１１９ 駆動機構
Ｌ 発振光（ソリトンパルスレーザ光）
Ｌｒ 読取光
Ｌｓ 信号光
Ｌｗ 記録光（高調波超短パルスレーザ光）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端が半導体可飽和吸収ミラーにより構成されてなる共振器と、該共振器内に備えられた、希土類もしくは遷移金属が添加されている固体レーザ媒質と、該共振器内における群速度分散を制御するための負群速度分散補償素子と、前記固体レーザ媒質を励起する励起光を出力する励起光学系とを備え、繰り返し周波数１ＧＨｚ以上のソリトンパルスレーザ光を発振するソリトンモード同期固体レーザと、
前記ソリトンモード同期固体レーザから発振された前記ソリトンパルスレーザ光の強度変調を行うための、導波路型電気光学変調素子および該導波路型電気光学変調素子に所望の情報に応じた電圧を印加する駆動ドライバを備えた強度変調手段と、
該強度変調手段により強度変調された前記ソリトンパルスレーザ光を、第２高調波に変換する非線形光学素子とを有していることを特徴とする超短パルスレーザ光源。
【請求項２】
前記ソリトンモード同期固体レーザと前記導波路型電気光学変調素子との間に、前記ソリトンパルスレーザ光が該導波路型電気光学変調素子を通過することにより生じる群速度分散を補償する群速度分散補償素子を備えたことを特徴とする請求項１記載の超短パルスレーザ光源。
【請求項３】
前記ソリトンモード同期固体レーザから発振された前記ソリトンパルスレーザ光の一部を分割する、前記ソリトンモード同期固体レーザと前記導波路型電気光学変調素子との間に配置された光分割手段と、
該光分割手段により分割された前記ソリトンパルスレーザ光を検出する光検出器とを備え、
該光検出器からの電気信号を、前記導波路型電気光学変調素子に対して前記所望の情報に応じて印加される電圧の、クロック信号として使用することを特徴とする請求項１または２記載の超短パルスレーザ光源。
【請求項４】
前記光検出器からの電気信号に基づいて、前記ソリトンモード同期固体レーザから安定した平均出力で前記ソリトンパルスレーザ光が発振されるように、前記励起光のパワーを制御する励起光駆動制御手段を備えたことを特徴とする請求項３記載の超短パルスレーザ光源。
【請求項５】
前記導波路型電気光学変調素子が、ＬiＮｂＯ３からなるものであることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の超短パルスレーザ光源。
【請求項６】
前記非線形光学素子が、周期分極反転ＬｉＮｂＯ３素子、周期分極反転ＬｉＴａＯ３素子および、周期分極反転ＫＴｉＯＰＯ４のうちのいずれかからなることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の超短パルスレーザ光源。
【請求項７】
前記負群速度分散補償素子が、負分散量が−３０００ｆｓ２以上かつ０ｆｓ２以下であり、透過率が０．１％以上かつ３％以下である負分散ミラーからなり、該負分散ミラーが前記共振器の他端を構成していることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の超短パルスレーザ光源。
【請求項８】
請求項１から７いずれか１項記載の超短パルスレーザ光源を、２光子吸収記録媒体に対して情報を記録するための記録光光源として備えたことを特徴とする２光子吸収記録媒体記録装置。
【請求項１】
一端が半導体可飽和吸収ミラーにより構成されてなる共振器と、該共振器内に備えられた、希土類もしくは遷移金属が添加されている固体レーザ媒質と、該共振器内における群速度分散を制御するための負群速度分散補償素子と、前記固体レーザ媒質を励起する励起光を出力する励起光学系とを備え、繰り返し周波数１ＧＨｚ以上のソリトンパルスレーザ光を発振するソリトンモード同期固体レーザと、
前記ソリトンモード同期固体レーザから発振された前記ソリトンパルスレーザ光の強度変調を行うための、導波路型電気光学変調素子および該導波路型電気光学変調素子に所望の情報に応じた電圧を印加する駆動ドライバを備えた強度変調手段と、
該強度変調手段により強度変調された前記ソリトンパルスレーザ光を、第２高調波に変換する非線形光学素子とを有していることを特徴とする超短パルスレーザ光源。
【請求項２】
前記ソリトンモード同期固体レーザと前記導波路型電気光学変調素子との間に、前記ソリトンパルスレーザ光が該導波路型電気光学変調素子を通過することにより生じる群速度分散を補償する群速度分散補償素子を備えたことを特徴とする請求項１記載の超短パルスレーザ光源。
【請求項３】
前記ソリトンモード同期固体レーザから発振された前記ソリトンパルスレーザ光の一部を分割する、前記ソリトンモード同期固体レーザと前記導波路型電気光学変調素子との間に配置された光分割手段と、
該光分割手段により分割された前記ソリトンパルスレーザ光を検出する光検出器とを備え、
該光検出器からの電気信号を、前記導波路型電気光学変調素子に対して前記所望の情報に応じて印加される電圧の、クロック信号として使用することを特徴とする請求項１または２記載の超短パルスレーザ光源。
【請求項４】
前記光検出器からの電気信号に基づいて、前記ソリトンモード同期固体レーザから安定した平均出力で前記ソリトンパルスレーザ光が発振されるように、前記励起光のパワーを制御する励起光駆動制御手段を備えたことを特徴とする請求項３記載の超短パルスレーザ光源。
【請求項５】
前記導波路型電気光学変調素子が、ＬiＮｂＯ３からなるものであることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の超短パルスレーザ光源。
【請求項６】
前記非線形光学素子が、周期分極反転ＬｉＮｂＯ３素子、周期分極反転ＬｉＴａＯ３素子および、周期分極反転ＫＴｉＯＰＯ４のうちのいずれかからなることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の超短パルスレーザ光源。
【請求項７】
前記負群速度分散補償素子が、負分散量が−３０００ｆｓ２以上かつ０ｆｓ２以下であり、透過率が０．１％以上かつ３％以下である負分散ミラーからなり、該負分散ミラーが前記共振器の他端を構成していることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の超短パルスレーザ光源。
【請求項８】
請求項１から７いずれか１項記載の超短パルスレーザ光源を、２光子吸収記録媒体に対して情報を記録するための記録光光源として備えたことを特徴とする２光子吸収記録媒体記録装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１０−２５８１２０（Ｐ２０１０−２５８１２０Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１０４６８０（Ｐ２００９−１０４６８０）
【出願日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．セルフォック
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．セルフォック
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
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