JP2014531777A - カー効果に基づくモード同期を用いたレーザ装置、およびその動作 - Google Patents

Abstract

レーザ・パルスを生成するように構成されたレーザ装置（１００）は、利得ディスク媒質（１１）とカー媒質（１２）を有するレーザ共振器（１０）を有する。レーザ共振器（１０）は、利得ディスク媒体（１１）中に結合された循環電場を整形するように適合化された第１のモード整形部（１３）と、前記第１のモード整形部（１３）における前記循環電界の整形と関係なく、前記カー媒質（１２）中に結合された前記循環電界を整形するよう適合化された第２のモード整形部（１４）と、を含んでいる。さらに、利得ディスク媒質（１１）とカー媒質（１２）を有するレーザ共振器（１０）を用いてレーザ・パルスを生成するが記載されている。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ・パルスを生成するよう構成されたレーザ装置に関し、特に、レーザ共振器内に利得ディスク媒質およびモード同期カー媒質を含むフェムト秒（ｆｓ）のレーザ装置に関する。さらに、本発明は、レーザ装置でレーザ・パルスを生成する方法に関し、特に、利得ディスク媒質およびモード同期カー媒質を含むレーザ共振器を用いてフェムト秒レーザ・パルスを生成する方法に関する。本発明の適用例は、レーザ技術の分野におけるものであり、特に、測定のために、材料加工のために、または、紫外線（ＵＶ）、極紫外線（ＸＵＶ）またはＸ線を発生させる励起源として、レーザ装置を動作させる分野におけるものである。本発明の好ましい適用例は、例えば、高いパワー（出力）で超高速のレーザ源を動作させる分野において、利用可能である。

本明細書において、次の、通常のパルス・レーザ装置の従来技術を参照する。
［１］A. Giesen et al.“IEEE Journal of Electronics”vol.33, 2007, p.598；
［２］J. aus der Au et al.“Opt. Lett.”vol.25, 2000, p.859；
［３］C. R. E. Baer et al.“Opt. Lett.”vol.35, 2010, p.2302-2304；
［４］S. V. Marchese et al.“Opt. Express”vol. 6, 2008, p.6397-6407；
［５］D. Bauer et al.“Advanced Solid-State Photonics”OSA Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2011), paper ATuC2；
［６］T. Sudmeyer et al.“Appl. Phys . B”vol.97, 2009, p.281-295；
［７］C. J. Saraceno et al.“Conference Paper: The European Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO/Europe)”Mu-nich, Germany, May 22, 2011；
［８］M. Tokurakawa et al.“Opt. Lett.”vol.33, 2008, p.1380-1382；
［９］C. Honninger et al.“Appl. Phys. B”vol.69, 1999, p.3；
［１０］S. Uemura et al.“Jpn. J. Appl. Phys.”vol.50, , 2011, p.010201；
［１１］V. Magni et al.“J. Opt. Soc. Am. A”vol.4, 1987, p.1962-1969;
［１２］B. Henrich et al.“Opt. Comm.”vol.135, 1997, p.300-304；
［１３］G. P. A. Malcolm et al.“Opt. Lett.”vol.16, 1991, p.1967；
［１４］Walter Koechner, Textbook“Solid state laser engineering”6th rev.及び updated ed. Springer 2010;
［１５］S. G. Lukishova et al. “Quantum Electronics”vol.26, 1996, p.1014；
［１６］米国特許第６３６３０９０号；
［１７］E. P. Ippen et al. “Appl. Phys. Lett.”vol.21, 1972, p.348；
［１８］0. Pronin et al. “Opt. Express”vol.19, 2011, p.10232-10240

レーザ共振器用の薄ディスク技術（thin disk technology）は、直接的にレーザから高い平均パワー（出力）を得ることを達成するという長年の課題を克服した。複数ｋＷ（キロワット）のレベルは、ＣＷマルチモードにおける１つのディスク・ヘッド［１］を有するレーザから直接的に得ることができ、基本モード動作において１００Ｗより高い平均パワーが利用可能である。薄い利得ディスク媒質の熱管理に起因しておよび材料の熱レンズ作用の減少の結果として、優れたビーム品質および高パワー動作を同時に実現することができる。この特徴によって、薄ディスクの概念は、２０００年頃以降のフェムト秒レーザにとって、魅力的になった［２］。フェムト秒の薄ディスク動作に適した利得媒質は文献［６］に記載されている。最も一般的な利得媒質はＹｂ：ＹＡＧであり、Ｙｂ：ＹＡＧは、低い量子欠陥、高い利得断面積、９４０ｎｍにおける幅広い吸収線、高い熱伝導率、熱機械的強度、および良好な光学的品質を有する大型サイズでの利用可能性に関する利点を有するものである。他の幾つかのＹｂドープされた材料が同様に使用され、例えば、Ｙｂタングステン酸塩であるＹｂ：ＫＹＷ、Ｙｂ：ＫＬｕＷ、三二酸化ＹｂであるＹｂ：Ｌｕ_２Ｏ_３、Ｙｂ：ＬｕＳｃＯ_３、Ｙｂ：（Ｓｃ，Ｙ，Ｌｕ）_２Ｏ_３、およびホウ素酸ＹｂであるＹＢ：ＹＣＯＢのようなものが使用されてきた。これらの材料が魅力的なのは、それらの発光（放出）帯域幅がより広く、従って潜在的により短い達成可能なパルスが得られるからである。

パワー・スケーリング（増減、測定）実験の結果、発振器から直接的に平均出力パワー１４０Ｗが得られ［３］、キャビティ（cavity：空洞、空胴）内でディスクが複数の折り畳みミラーの中の１つであるような空洞から１０μＪのパルス・エネルギが得られた［４］。また、 ３０μＪの出力パルスが、マルチパス（複数経路）キャビティの幾何学的配置で得られた［５］。しかし、従来技術では、Ｙｂ：ＹＡＧの薄ディスク・レーザからのパルス持続時間は約７００ｆｓに制限されることが、強調された［３、６］。この文献［６］において、この制限は、より高い飽和利得および減少した利得帯域幅に関係し、これは高いパワー動作における高い反転レベルに起因する。７３５ｆｓパルスを有するＹｂ：Ｌｕ_２Ｏ_３を基材とする薄ディスク発振器から、最大平均パワーおよそ１４０Ｗが得られることが報告された。しかし、この材料の発光帯域幅は、文献［８］で示されているように、１００ｆｓ程度またはそれより短いパルスを支持するに違いない。これまでのところ、１９４ｆｓの短いパルスが、比較的低い出力パワー９．５ＷのＹｂ：ＬｕＳｃＯ_３の薄ディスク・レーザから得られた［７］。また、サブ１００ｆｓパルス（sub-100fs-pulses）が、文献［１０］によって、Ｙｂ：ＹＡＧの利得媒質から得られることが示された。それにもかかわらず、スペクトル濾波が適用されて、波長が、その利得最大値において、１０３０ｎｍから１０６０ｎｍに向かってシフトした。

早期の技術は、歴史的には薄ディスク・フェムト秒レーザの開発の遙か前に提案されたものであり、ｃｗ（連続発振）色素レーザのモード同期（ロック）による超短レーザ・パルスの生成を含むものである［１７］。薄ディスク・レーザとは違って、色素レーザのモード同期は、利得色素と可飽和吸収色素（saturable absorber dye）の双方の高速飽和変動性（動力学）に依存するものであったが、それは安定端縁付近でのモード同期の始動または開始を必要とせず、キャビティ設計は、キャビティ長にわたる小さいビーム直径および小さい熱的負荷を有する。フェムト秒の固体（半導体）の薄ディスク・レーザは、負または正の分散状態（領域）におけるソリトン・モード同期に依存する。さらに、カー・レンズ・モード同期は、非常に複雑な自己集束（集光）変動性（動力学）および複雑なキャビティ設計を含んでいる。その複雑さは、カー・レンズ・モード同期の信頼性のある始動に必要な安定端縁付近のキャビティの振る舞いの分析によって、生じる。従って、キャビティ設計およびモード同期の始動は、色素レーザ技術と比較して、遙かに複雑な課題である。

薄ディスク・フェムト秒レーザは、半導体可飽和吸収ミラー（ＳＥＳＡＭ）を用いたモード同期に基づいて動作させることができる。ＳＥＳＡＭは、図１２に概略的に示されているように、凹面共振器ミラーを含むキャビティにおける端部ミラーとして配置することができる（従来技術[２]。［３］参照）。図１２によれば、通常のレーザ装置１００’は、利得ディスク媒質１１’およびＳＥＳＡＭ１８’を有するレーザ共振器１０’を含んでいる。共振器部１３’は、利得ディスク媒質１１’中に結合される循環（circulating：繰り返し往復して伝播する）電界を整形するために設けられている。共振器部１３’は３つの凹面鏡で形成され、３つの凹面鏡によって、利得ディスク媒質１１’において大きいモード・サイズの設定が可能になる。３つの凹面鏡の中の１つの鏡は折り畳みミラーであり、折り畳みミラーは、ＳＥＳＡＭ１８’におけるモード・サイズに同時に影響を与える。今まで、ＳＥＳＡＭモード同期されたＹｂ：ＹＡＧ発振器から生成された最も短いパルス持続時間は、平均パワー１７０ｍＷで３４０ｆｓである［９］。

ＳＥＳＡＭは、熱レンズ作用の減少、キャビティ整列に対する不感性または非感受性、および平坦なミラーの１つを置換することによる共振器キャビティ内での容易な実装性に関する、多数の利点を有する。一方、ＳＥＳＡＭは、Ｑスイッチ不安定性、低い損傷閾値、２光子吸収、可飽和および非可飽和の損失の結果得られる熱レンズ作用、有限の緩和時間、および、限定された支持帯域幅、に関する多数の欠点を有する。特に、半導体の損傷閾値は、ガラスの損傷閾値より低い。従って、ＳＥＳＡＭの損傷閾値によって、レーザキャビティ内で達成可能な最大パルス・エネルギおよび達成可能な最小パルス持続時間における制限が設定される。さらに、熱レンズ作用によって、発振器からの達成可能な平均のパワーが制限される。また、ＳＥＳＡＭの損傷は、部分的に、装置の加熱によって生じ得る。

薄ディスク・レーザの幾何学的配置におけるパワー・スケーリングは、ポンプ・パワーに比例してディスク媒質におけるモード面積を増大させることによって（および、ピークのポンプ・パワーを同じレベルに維持することによって）可能となる。この原理を利用することによって、パワー・スケーリングは、ＳＥＳＡＭモード同期薄ディスク発振器において、うまく行われた（成功した）。しかし、高い平均パワーでポンプ（励起）された薄ディスクと、可飽和および非過飽和の損失を有するＳＥＡＭとの双方は、熱レンズ効果を示す。マグニ（Magni）氏［１１］によって示されたように、キャビティ内の１つの熱レンズによって、レーザを作動させるための２つの安定領域が、結果的に得られる。領域（ゾーン）Ｉは、不整列性に対して感度がより低く、領域IIは、不整列に対して感度が遙かに高い。第２の安定領域は、キャビティ内のより大きいビーム・サイズに対応する。また、キャビティ内のビーム・サイズを大きくすると、安定領域の収縮が生じる。安定領域の幅は、〜１／ｗ^２のように、ビーム・サイズ（ディスク内のｗ−ビーム・ウエスト（waist））に依存する。これらの特徴は、より多くの制限を導入し、キャビティの設計をより複雑な仕事にする。明らかに、キャビティ内に第２の熱レンズ（ＳＥＳＡＭ）を含ませると、基本モード動作のためのキャビティの設計がさらに複雑になり、安定領域がさらに狭くなる。

さらに、薄ディスク・フェムト秒レーザは、図１３に概略的に示されているように、カー媒質でモード同期に基づいてレーザ・パルスを生成することができる（カー・レンズ・モード同期レーザ、ＫＬＭレーザ、従来技術［１０］、［１２］、［１３］、［１６］参照）。図１３の通常のレーザ装置１００’に含まれるレーザ共振器１０’は、利得ディスク媒質１１’およびモード同期カー媒質１２’を含んでいる。さらに、レーザ共振器１０’ に含まれる２つの湾曲した凹面共振器ミラー（凹面鏡）は、カー媒質１２’を含む共振器部１３’（の空間）にわたって配置される。カー媒質１２’中に結合されるレーザ共振器１０’における循環電界は、湾曲したミラーの効果によって共振器部１３’内で整形される。カー媒質１２’は、湾曲したミラーによって形成される焦点（focus）に位置し、利得ディスク媒質１１’は折り畳みキャビティ・ミラーとして使用される。従って、共振器部１３’は、同時に、利得ディスク媒質１１’においてビーム・サイズを整形する。

次の欠点および制限に起因して、図１３の共振器設計は、かろうじて実際に適用可能である。典型的には、キャビティ内の小さいビーム・サイズによって、光学的構成要素の損傷のリスクが高くなる。これらの効果は、レーザ共振器の安定領域の各端縁付近で特に顕著である。利得ディスク媒質１１’におけるビーム・ウエストは、カー媒質１２’におけるビーム・ウエストに強く依存する（ディスクにおけるビーム・ウエストが大きければ大きいほど、カー媒質におけるビーム・ウエストがより小さい）。従って、利得ディスク媒質１１’におけるより大きいスポット・サイズに対して、そのようなレーザ共振器１０’は、完全に再設計され再最適化される必要がある。対称なＸ字状のキャビティの場合、平坦なミラーｗ_ｄにおけるビーム・ウエストは、比率ｗ_ｄ〜ｆ／ｗ_ｋによってカー媒質ｗ_ｋにおけるビーム・ウエストに関係する。さらに、キャビティ安定領域は、薄ディスクにおける熱レンズ作用および分散光学系による、強い影響を受ける。最後に、キャビティ長は、キャビティおよびカー媒質における大きいモード・サイズに強く依存する。

現在のところ、薄ディスク発振器は、コンパクトな卓上システムから、高いパワーと高エネルギ・パルスが同時に得られる最も期待できる方法である。しかし、今まで、発光帯域幅制限されたまたは発光帯域幅限界を超えたパルスを高いパワー・レベルで生成する薄ディスク・レーザは、未だ実現されていない。

一般的に、固体（半導体）レーザの分野において、他のキャビティの幾何学的配置が知られている。レーザ共振器１０’は、それぞれ図１４Ａおよび１４Ｂ（従来技術［１４］、ｐ．２４８、およびｐｐ．２１９／２２１）に概略的に示されているように、例えば、望遠鏡的（伸縮自在の）幾何学的配置または凹凸面の幾何学的配置を有することができる。図１４Ａの望遠鏡的構造部１３’を用いて、バルク状の利得媒質１１’におけるスポット・サイズを拡大することができる。また、“凹凸面”の幾何学的配置を設けた共振器（図１４Ｂ）は、レーザ共振器１０’内の大きいモード・サイズを同様に達成するように適合化されている。また、凹凸面の幾何学的配置と望遠鏡的幾何学的配置を組み合わせた共振器を用いることが知られている。しかし、望遠鏡的幾何学的配置および凹凸面の幾何学的配置は、モード同期薄ディスク・レーザ共振器の分野では未だ使用されていない。

米国特許第６３６３０９０号

A. Giesen et al."IEEE Journal of Electronics"vol.33, 2007, p.598 J. aus der Au et al."Opt. Lett."vol.25, 2000, p.859 C. R. E. Baer et al."Opt. Lett."vol.35, 2010, p.2302-2304 S. V. Marchese et al."Opt. Express"vol. 6, 2008, p.6397-6407 D. Bauer et al."Advanced Solid-State Photonics"OSA Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2011), paper ATuC2 T. Sudmeyer et al."Appl. Phys . B"vol.97, 2009, p.281-295 C. J. Saraceno et al."Conference Paper: The European Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO/Europe)"Mu-nich, Germany, May 22, 2011 M. Tokurakawa et al."Opt. Lett."vol.33, 2008, p.1380-1382 C. Honninger et al."Appl. Phys. B"vol.69, 1999, p.3 S. Uemura et al."Jpn. J. Appl. Phys."vol.50, , 2011, p.010201 V. Magni et al."J. Opt. Soc. Am. A"vol.4, 1987, p.1962-1969 B. Henrich et al."Opt. Comm."vol.135, 1997, p.300-304 G. P. A. Malcolm et al."Opt. Lett."vol.16, 1991, p.1967 Walter Koechner, Textbook"Solid state laser engineering"6th rev.及び updated ed. Springer 2010 S. G. Lukishova et al. "Quantum Electronics"vol.26, 1996, p.1014 E. P. Ippen et al. "Appl. Phys. Lett."vol.21, 1972, p.348 0. Pronin et al. "Opt. Express"vol.19, 2011, p.10232-10240

発明の目的
本発明の目的は、通常の技術の欠点を回避できる改良されたレーザ装置を実現することである。特に、レーザ装置は、増大されたパルス・エネルギおよび／または減少したパルス持続時間を有するレーザ・パルスを、特に大きい動作安定性を有するコンパクトな設計で、生成することができる。さらに、本発明の目的は、通常の技術の欠点を回避できるレーザ・パルスを生成する方法を実現することである。特に、レーザ・パルスは、増大されたパルス・エネルギおよび／または減少したパルス持続時間を有するものが、特に数時間以上の時間的尺度で大きい安定性で、生成される。

これらの目的は、独立請求項の特徴を含む装置または方法によって達成される。本発明の有利な実施形態および適用例が従属請求項に記載されている。

発明の概要
本発明の第１の一般的側面（観点）によれば、レーザ・パルスを生成するよう適合化されたレーザ装置、特にパルス・レーザ装置が実現される。レーザ装置は、複数の共振器ミラーを有するレーザ共振器、利得ディスク媒質、特にレーザ活性ディスク媒質、および、モード同期カー媒質を含んでいる。

本発明によれば、レーザ共振器は第１のモード整形部（セクション）を含み、第１のモード整形部は、第１群（グループ）の（少なくとも２つの）共振器ミラーが第１のモード整形部（の空間）にわたって配置され、利得ディスク媒質（gain disc medium）中に結合または供給される（coupled）電界（electric field）（光照射野（light field））を整形するよう適合化されている。本発明によれば、レーザ共振器はさらに第２のモード整形部を含み、第２のモード整形部は、第２群の（少なくとも２つの他の）共振器ミラーが第２のモード整形部にわたって配置され、モード同期カー媒質（mode-locking Kerr medium）中に結合される電界（光照射野）を整形するよう適合化されている。第２のモード整形部にわたって配置された複数の共振器ミラーは、循環電界がカー媒質中に集束（集光）して、電界がカー媒質において所定のビーム・ウエストを有するように、選択される。

第１および第２のモード整形部は、共振器（キャビティ）内を循環する電界のビーム径（直径）を整形する。第１および第２のモード整形部は、共振器の相異なる各部（各セクション）からなり、利得ディスク媒質は、第１のモード整形部の内部にまたはその一部として配置され、カー媒質は、第２のモード整形部の内部にまたはその一部として配置される。利得ディスク媒質中に結合された電界は、カー媒質中に結合される電界の整形とは関係なく、整形される。第１および第２のモード整形部は、結合が分離され（decoupled）、即ち、互いに影響することなく調節することができる。第１および第２のモード整形部を調節することは、特に、各ミラーの曲率半径および／または位置を選択することを意味する。利得ディスク媒質のビーム・サイズが第１のモード整形部を用いて変更される場合、その結果として、第２のモード整形部によって調節されたカー媒質におけるビーム・サイズの、減少もしくは縮小する（vanishing）または無視し得る変化が、生じ、その逆もなりたつ（カー媒質のビーム・サイズが第２のモード整形部を用いて変更される場合、その結果として、第１のモード整形部によって調節された利得ディスク媒質におけるビーム・サイズの、減少もしくは縮小するまたは無視し得る変化が、生じる）。

第１のモード整形部は、凹凸面（concave-convex）キャビティ（凹凸面を含むキャビティ）、望遠鏡的構造の（伸縮自在の）キャビティまたはその重ね合わせ（組合せ）を提供することが好ましい。これらのキャビティの幾何学的配置（geometries）は、例えば凹凸面の幾何学的配置での単一点においてだけでなく、第１のモード整形部全体に沿っても、大きいビーム径（直径）を設定するので、キャビティの幾何学的配置は、パワー・スケーラビリティ（増減、拡張性）を実現する特別な利点を有する。

利点として、第１および第２のモード整形部は、それぞれカー媒質においておよび利得ディスク媒質においてビーム径を調節するための独立の自由度を与えるよう構成されている。さらに、第１および第２のモード整形部によって、ミラー上でモード・サイズおよび熱レンズ感度に関して各部（各セクション、第１および第２のモード整形部）を独立に最適化することができる。

本発明の第２の一般的な側面（観点）によれば、本発明の方法に関して、レーザ・パルスを生成する方法が実現される。ここで、レーザ・パルスは、複数の共振器ミラー、利得ディスク媒質およびモード同期カー媒質を含むレーザ共振器において生成される。利得ディスク媒質中に結合された電界は、整形され、特に、そのビーム径（直径）に関して、第１のモード整形部を形成する第１群（グループ）の共振器ミラーを用いて、調節される。本発明によれば、循環電界は、さらに、カー媒質におけるビーム径が利得ディスク媒質におけるビーム径とは独立に調節される形態で、第２のモード整形部を用いて整形される。

本発明によれば、第１と第２のモード整形部でのビームの整形の独立性は、それぞれ利得ディスク媒質とカー媒質とにおけるビーム調節の結合の分離を意味する。従って、本発明の方法の第１のステップにおいて、レーザ共振器のキャビティが調節され、その調節は、例えば連続波（ｃｗ）単一モード・レーザの通常のキャビティ調節において知られているように、行われる。例えば、望遠鏡的構造のキャビティ、凹凸面のキャビティまたはそれらの重ね合わせ（組合せ）が、調節される。次の第２のステップにおいて、カー媒質におけるビーム・ウエストが、第２のモード整形部を用いて調節される。共振器のキャビティ設計および第１のモード整形部の機能（関数）は、第２のモード整形部の調節による影響を受けない。第２のモード整形部は、共振器全体が、電界の共振（共鳴）循環（resonant circulation）用の安定領域（ゾーン）の端縁または端部で動作するように、調節できる。さらに、カー媒質の効果によって、特にカー・レンズの効果によって、共振器全体が安定領域に戻される。

利点として、発明者たちは、本発明による薄ディスク・キャビティ設計が、次の制約および条件を満たすことができることを見出した。
（ａ）分散光学系および利得ディスク媒質の熱レンズに対する小さい感度、
（ｂ）キャビティにおける熱的補償の能力、
（ｃ）キャビティの小さい不整列感度、
（ｄ）利得ディスク媒質における大きいモード直径が、ディスク利得媒質におけるポンプ・スポットとほぼ等しいこと、および、キャビティにわたる各大きいサイズが、空気中で非線形効果を減少させ（長いキャビティに対して特に重要（critical：臨界的））、光学系の損傷を回避すること。

さらに、カー・レンズキャビティ設計のための次の望ましい条件が初めて満たされる。
（ｅ）或る（設定可能な）ビーム・サイズが、カー媒体において実現されること。ここで、このビーム・サイズは、近似式ｆ＝ｗ^２／（４ｎ_２Ｉ_０Ｌ）（ここで、ｗはビーム・ウエスト、ｎ_２は非線形指数（index）、Ｉ_０はピーク強度、Ｌはカー媒質の長さ）による集束または集光（焦点を合わせる）強度に影響を与えるように変化させられる。
（ｆ）ビーム・サイズの変化によって、さらに、カー媒質における或る量の非線形性が与えられて、安定なモード同期が達成される。
（ｇ）キャビティは、安定端縁付近でカー効果に最も敏感であること。典型的には、ＫＬＭレーザは、複数の安定端縁の中の１つの安定端縁付近で作動される。そのような動作点と信頼できる性能との間の妥協点（compromise：妥協点）が、本発明で見出された。

主要な利点として、本発明によって、安定なカー・レンズ・モード同期に対して、基準（ａ〜ｄ）および基準（ｅ〜ｇ）を分離（結合を分離）することが可能になる。本発明では、レーザ・パルスのパワーおよびエネルギの固有のスケーラビリティまたは拡張性（intrinsic scalability：増減能力）が得られる。通常の技術と比較すると、パルス持続時間は低減することができ、レーザ装置出力の平均パワーは増大させることができる。例えば、Ｙｂ：ＹＡＧ利得ディスク媒質では、平均パワー１５Ｗの１９０ｆｓのパルスが得られた。現在までのところ、これらが、薄ディスク発振器から生成された最短のものである。本発明によるパワー／エネルギのスケーリング（scaling、増減）の概念は、利得ディスク媒質中でのビーム・サイズおよびカー媒質中でのビーム・サイズの独立の調節に基づくもので、それによって熱レンズ効果に関して各部（第１および第２のモード整形部、各セクション）を独立に最適化することができる。第２のモード整形部によって、ビーム・ウエスト・スケーリングの配置構成（拡大または集束（集光）用の配置構成）が得られ、ビーム・ウエスト・スケーリングの配置構成は、第１のモード整形部とは独立に調節され、従って増大されたポンプ・パワーでレーザ装置の安定な動作を実現する。

図１２に示されたレーザ・パルスのＳＥＳＡＭベースでの生成とは違って、本発明では、ＳＥＳＡＭを用いるモード同期の限界（制限）が回避される。一方、図１３に示された通常のカー・レンズ・ベースでのレーザ・パルスの生成とは違って、本発明では、利得ディスク媒質においてビーム・サイズを調節するための追加的な自由度が得られる。本発明によって得られる重量な結果は、通常のキャビティのビーム形状は、即ち図１２または１３に示されたものは、カー・レンズ・モード同期と共に適用でき、これは、カー媒質でモード同期を用いてキャビティにおいて通常のＳＥＳＡＭモード同期技術と同じくらい良好な（またはそれより良好でさえある）安定性を与える。本発明の前は、カー媒質を含むレーザ共振器は、本来的に不安定であろう、と予期された。また、任意の追加的な結像（拡大または集束（集光）用）共振器部（セクション）の結果として、共振器の安定端縁付近で作動されるので、追加的な安定性の低下が生じるであろうと、予期された。驚くことに、発明者たちは、本発明によるレーザ装置の安定性が、通常の技術と比較して、増大することを見出した。その安定性は、例えばＨＦ(高周波数)ノイズ、高速の絶対値の強度変動、および／または低速の強度変動のような各パラメータで記述できるものであり、３％より大きく改善することが見出された。これは、通常の技術と比較して基本的にまたは本質的に有利であることを表し、実際の条件では本発明の適用に関して特別な効果または影響を与えるものである。

本発明の別の特別な利点として、第１のモード整形部によって、カー媒質におけるビーム・ウエストを調節する第２のモード整形部の新しい設計が可能になる。従って、本発明の好ましい実施形態によれば、第２のモード整形部は、望遠鏡的構造を形成する少なくとも２つの湾曲した共振器ミラーを含む第１群の共振器ミラーを含んでいる。第２のモード整形部は、カー媒質中に循環電界を結像する望遠鏡的構造部である。本発明の特に好ましい実施形態によれば、望遠鏡的構造部は、２つの凹面鏡、または１つの凹面鏡および１つの凸面鏡を含んでいてもよい。特に、ニュートン式またはガリレオ式の望遠鏡的構造が、第２のモード整形部によって実現することができる。望遠鏡的配置構成は、対称とすることができ、即ち各湾曲したミラーは同じ曲率半径を有することができ、または非対称とすることができ、即ち各湾曲したミラーは互いに異なる曲率半径を有することができる。さらに、望遠鏡的構造部は、異なる腕状部（アーム部）長さと、共振器安定性に応じて選択される望遠鏡的構造部にわたって配置された両ミラー間の距離とを有することができる。さらに別の代替形態として、第２のモード整形部は、２つの凹面共振器ミラーを含んでいてもよい。

本発明の別の利点として、ビーム・ウエスト・スケーリング配置構成（第２のモード整形部）は、任意の薄ディスク共振器設計で実現または実装できる。カー効果に対するキャビティの感度、およびカー効果に影響を与える任意選択的な手段（measures）に応じて、第２のモード整形部は、任意のキャビティ点（キャビティ内の任意の点）において実装することができる。従って、本発明の別の好ましい実施形態によれば、カー媒質は、第２のモード整形部に、即ち望遠鏡的構造部にわたって配置された湾曲ミラー間に、または第２のモード整形部の端部ミラーとして、配置することができる。利点として、レーザ共振器における光路に対してカー媒質を調節するための複数の自由度が得られる。代替形態として、カー媒質は、第２のモード整形部の外側に配置することができ、特に、レーザ共振器内の第１のモード整形部の配置とは反対側の望遠鏡的構造部の側に配置することができる。

さらに、第１および第２のモード整形部の相互の相対的な配置は、選択することができる。第１の変形例では、第１および第２のモード整形部は、レーザ共振器における光路に沿って互いに隣接するように配置される。利点として、本発明のこの実施形態によって、カー媒質および利得ディスク媒質におけるビーム・サイズを、それぞれ容易に互いに独立に調節することができる。第２の変形例によれば、第２のモード整形部を、第１のモード整形部に含ませることができる。利点として、本発明のこの実施形態によって、特にコンパクトな共振器設計を実現することができる。

モード同期カー媒質は、一般的に、カー効果を示すことができる任意選択的な非線形材料で形成された固体（半導体）光素子を含んでいる。好ましい変形例によれば、カー媒質は、レーザ共振器の光路において、例えば独立形態で、配置されたカー・レンズ光学的（optical）プレートを含んでいる。利点として、独立形態のプレートは、光路に対して自由に調整することができる。代替形態として、カー媒質は、レーザ共振器において折り畳みミラーとして配置されたカー・レンズ・ミラーを含んでいてもよい。この場合、熱レンズ・ミラー効果を回避することに関する利点を得ることができる。特に、カー・レンズ・ミラーは、ヒート・シンクを形成する基板に接触させることができる。例えば水冷または電子的冷却のような冷却手段を有するまたは有しないバルク状の基板が使用されることが好ましい。基板上で、カー・レンズ・ミラーは、カー効果材料を支持する反射層を含んでいる。カー・レンズ・ミラーは、Ｖ字状または楔状とすることができ、または平面状の平行な形状を有することができ、および／または、カー効果材料上に反射防止被覆を設けてもまたは設けなくてもよい。

カー効果材料として、カー効果を示す任意の利用可能な光学的に非線形の材料を用いることができる。別の利点として、特に、ＳＥＳＡＭと組み合わせて使用して、カー媒質は、ＣａＦ_２、溶融石英、サファイアまたは光ガラス、例えばＳＦ５７（商品名）を含んでいてもよい。好ましくは、レーザ共振器に沿ったカー媒質の光路長は、６ｍｍ未満であり、特に１ｍｍ未満である。実際に使用される光路長は、カー媒質の材料に応じて選択することができる。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、レーザ共振器には、半導体可飽和吸収材ミラー（ＳＥＳＡＭ）を設けることができる。この実施形態によれば、レーザ・パルスは、カー媒質とＳＥＳＡＭの双方でモード同期を用いて生成される。利点として、ＳＥＳＡＭは、モード同期動作のための始動器として使用することができる。ＳＥＳＡＭは、第１のモード整形部に対して反対側にある、第２のモード整形部に隣接するレーザ共振器の端部に配置されることが好ましい。

本発明の別の有利な特徴として、レーザ共振器に、カー・レンズ・モード同期用の硬い開孔部（hard aperture）として構成された傾斜（gradient：勾配）ミラーを設けることができる。硬い開孔部は、高いキャビティ内平均パワーに起因してレーザ共振器を加熱し得る一方で、傾斜ミラーは、好ましくはガウシアン反射外形（プロファイル）を有する傾斜ミラーを用いて、同様の損失を与えることができる。傾斜ミラーは、一般的に、高パワー発振器内でモード選択用の開孔部として使用されるように、設けることができる（［１５］）。

本発明の別の変形例によれば、レーザ共振器に、レーザ装置の自己始動動作を実現するよう適合化された自己始動装置が設けられる場合、安定なレーザ動作の高速形成に関する利点が得られる。好ましくは、音響光学変調器または機械的振動器を自己始動装置として用いることができる。代替形態として、ＳＥＳＡＭをモード同期自己始動装置として使用することができる。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、レーザ共振器はスペクトル濾波または整形ユニットを含んでおり、スペクトル濾波または整形ユニットは、レーザ共振器内を循環する電界（光照射野）の最大利得波長をシフトし、レーザ共振器内を循環する電界（光照射野）の利得スペクトルを平坦化するために、配置されている。平坦化されたスペクトルを効果的により広くすることによって、より短いパルスを生成することができる。

本発明の別の利点として、カー媒質を用いて、レーザ共振器内を循環する電界において新しいスペクトル成分を生成することができる。新しいスペクトル成分は、カー媒質内の光学的に非線形な効果によって、生成される。利点として、レーザ・パルスのスペクトル特性は、特にカー媒質を用いて調節することができる。

本発明の他の利点は、レーザ共振器の一部の少なくとも温度が調節される場合に、得られる。例えば冷却液体または電子的冷却効果を用いる冷却装置を含む、温度調節装置が設けられることが好ましい。従って、利得ディスク媒質、カー媒質、任意選択的にＳＥＳＡＭ、およびさらに任意選択的に傾斜ミラーの中の少なくとも１つを、冷却することができ、好ましくは−５０℃未満の温度に冷却することができる。利点として、この冷却によって、共振器動作における熱的効果が低減される。特に、熱的効果は、レーザ共振器の複数のコンポーネント（構成要素）が傾斜的に（勾配的に）冷却または加熱される場合に、補償できる。

レーザ装置の適用例に応じて、追加的なコンポーネントをレーザ共振器に設けることができる。利点として、本発明による共振器設計の改善された安全性によって、ガス材料、液体材料または固体材料で形成された追加的な媒質を導入することができる。第１の変形例によれば、レーザ共振器内を循環する電界において新しいスペクトル成分を生成するための非線形要素として作用するキャビティ内（intra cavity）媒質を導入することができる。例えば、ガス噴射（ジェット）または液体噴射を、レーザ共振器に設けることができ、そこで、循環するレーザ・パルスのキャビティ内媒質との相互作用の結果としてＵＶ（紫外線）、ＸＵＶ（極紫外線）またはＸ線が生成される。代替的にまたは追加的に、キャビティ内プレート、例えば斜（かすり）入射プレート（grazing incidence plate）を、レーザ共振器内の光路に沿って配置することができる。その際、キャビティ内プレートは、レーザ共振器に形成された新しいスペクトル成分用の出力結合器として適合化される。

別の好ましい特徴によれば、大気圧と比較して減じられた圧力で完全な（全体の）レーザ共振器を収容する真空引きされたボックス（筐体）を設けることができる。真空状態は、真空引きされたボックス内に形成することができることが好ましい。利点として、光学的非線形性および空気摂動（perturbations：変動）を、レーザ装置動作の安定性がさらに増大するように、減少させることができる。

別の変形例によれば、レーザ共振器は、外部ファイバ伸張（拡幅）および圧縮段（broadening and compression stage）と組み合わせることができる。利点として、この組合せによって、パルス・パラメータの更なる調節、例えばパルス持続時間およびパルス・エネルギの調節を、伸張および圧縮段を用いて行うことができる。さらに、レーザ・パルスは、具体的な適用例に関して適合化することができる。代替的にまたは追加的に、外部のキャリア包絡線（エンベロープ）位相安定化に適合化された音響光学変調器を設けることができる。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、レーザ共振器は、レーザ・パルスのコヒーレント光の加算（付加）（coherent addition）のために構成された受動的増強キャビティに結合して、パルス・エネルギがさらに増大されるようにすることができる。代替形態として、レーザ共振器は、白色光の発生のために配置された別のキャビティ外（extra cavity）非線形結晶と組み合わせることができる。

レーザ装置および外部ファイバ伸張および圧縮段および／または音響光学変調器を含む完全なレーザ・システム、並びに、レーザ装置の、受動的増強キャビティおよび／またはキャビティ外非線形結晶との組合せが、本発明の別の主題であることに留意されたい。

本発明の好ましい実施形態の詳細および他の利点を、図面を参照して以下で説明する。

図１乃至６は、本発明によるレーザ装置の好ましい実施形態を示している。 . . . . . 図７は、カー媒質として使用されるカー・レンズ・ミラーの概略的な図である。 図８は、キャビティ内媒質を含む、本発明によるレーザ装置の別の好ましい実施形態を示している。 図９は、本発明によるレーザ装置の別の好ましい実施形態を示している。 図１０および１１は、本発明によるレーザ装置で得られる実験結果を示す図である。 . 図１２、１３および１４は、通常のレーザ共振器（従来技術）の概略的な図である。 . .

発明の好ましい実施形態
発明の好ましい実施形態を、レーザ共振器の設計、特に第１および第２のモード整形部（mode shaping sections）の設計を特に参照して説明する。レーザ共振器の光学的コンポーネント（要素）の詳細、特に反射鏡、利得ディスク媒質（gain disc medium）、カー媒質（Kerr medium）、硬い開孔部（hard aperture）、および任意選択的なＳＥＳＡＭの設計は、通常の技術で実装できるものである限り、説明しない。特に、利得ディスク媒質をポンピングまたは励起する技術は、従来技術（例えば文献［１］参照）で知られているので、説明しない。本発明の実装は、例示された共振器の幾何学的配置に限定されることなく、少なくとも１つの利得ディスク媒質を含む任意のその他のタイプのレーザ共振器で実現することが可能である。

図１は、複数の共振器ミラーＭ１〜Ｍ５およびＭ７〜Ｍ９を含むレーザ共振器１０を有する本発明によるレーザ装置１００の第１の実施形態を示している。ここで、共振器ミラーＭ２は利得ディスク媒質１１である。それらの共振器ミラーは、平坦なまたは湾曲したミラーを含み、その少なくとも１つのミラーでは、この技術分野で知られているように、正または負の群遅延分散が与えられる。さらに、レーザ共振器１０は、モード同期カー媒質１２を含んでいる。レーザ共振器１０は、破線で強調して示されているように、第１のモード整形部１３および第２のモード整形部１４を含んでいる。通常の硬い開孔部（図示せず）、例えば内部に開口を有する金属板の形態の硬い開口部は、レーザ共振器１０において、特に第１または第２のビーム整形部１３、１４のうちの一方に実装することができる。

第１のモード整形部１３は、レーザ共振器１０の出力結合（供給）器である平坦なミラーＭ１、利得ディスク媒質１１、湾曲したミラーＭ３およびＭ４、および或る群遅延分散を有する平坦なミラーＭ５を含む、ミラーＭ１とＭ５の間（の空間）にわたって配置されまたは広がっている。第１のモード整形部１３において、利得ディスク媒質１１におけるレーザ・ビーム・サイズは、通常のフェムト秒発振器で知られているように、ミラーＭ３およびＭ４の結像特性（imaging properties）、および第２のビーム整形部１３における各ミラー間の各距離によって調節される。

平坦なミラーＭ６（点線で示されている）は、実際には設けられない。それ（ミラーＭ６）は、通常の共振器の端部ミラーを表している。通常の共振器とは違って、第２のモード整形部１４は、ミラーＭ６での背面反射の代わりに、第１のモード整形部１３に結合される。

利得ディスク媒質１１は、従来技術（例えば［１］参照）で知られている形態で構造化または構成することができる外部ポンプ・ユニット（図示せず）で励起（ポンピング）される。利得ディスク媒質は、冷却指状部（フィンガ）１１．１に取り付けられ、従来技術［１］で知られている方法で冷却される。利得ディスク媒質１１は、例えば、厚さ５０〜２５０μｍを有するＹｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：Ｌｕ_２Ｏ_３、Ｙｂ：ＫＹＷで形成される。

第２のモード整形部１４は、２つの凹面共振器ミラーＭ７およびＭ８、および平坦な端部ミラーＭ９を含んでいる。共振器ミラーＭ７およびＭ８は、異なるまたは同じ曲率半径を有する凹面鏡であって、ビーム経路に沿って循環する電界がカー媒質１２において集束（集中、集光）するようになっている。カー媒質１２は、共振器ミラーＭ７とＭ８の間の幾何学的な中心に配置されることが好ましい。しかし、これは必須構成ではなく、変位された配置を用いて同様に実現することもできる。カー媒質１２は、６ｍｍ未満の厚さを有する溶融シリカ（fused silica）、ＣａＦ_２またはＳＦ５７で形成された独立の（free standing）プレートである。平坦な端部ミラーＭ９は、標準的な反射鏡、または代替実施形態ではＳＥＳＡＭである。

参照番号２１は、レーザ共振器１０を収容する真空引きされたボックスを概略的に示している。そのボックスは、任意の圧力的に気密なまたは機密な（tight）材料、例えばプラスチック類であり、レーザ・パルスを出力結合または出力供給するための複数の窓を含んでいる。図１に示されているように、ボックスは、以下で説明するその他の実施形態で、特に図８の実施形態で設けることができる。さらに、参照番号２２は、レーザ共振器またはその部品の温度調節を可能にする温度調節装置を概略的に示している。

図１の実施形態を用いると、レーザ・パルスは、利得ディスク媒質１１を共振的に励起（ポンピング）することによって生成されて、レージング（レーザ）光照射野がレーザ共振器１０内を循環するようになっている。利得ディスク媒質１１中に結合（供給）されたその循環する光照射野は、第１のモード整形部１３において排他的に（独立して）サイズ調整され、一方、カー媒質１２中に結合されたその循環する電界は、第２のモード整形部１４において排他的に（独立して）サイズ調整される。カー・レンズ・モード同期を始動させるために、第２のモード整形部１４は、安定領域の端縁においてレーザ共振器１０を動作させるように調節される。安定領域の端縁において、レーザ共振器１０は、カー集束効果に対して特に敏感である（反応する）。カー・レンズ・モード同期が始動すると、レーザ共振器１０は、安定中心付近に戻って安定に動作する。カー媒質１２のモード同期カー効果によって、レーザ・パルスが生成され、ミラーＭ１を通ってレーザ共振器１０の外部へと結合（供給）される。

カー媒質１２の位置は、第２のモード整形部１３（１４）の両湾曲ミラー間の位置にある必要はない。カー媒質１２は、図２に概略的に示されているように、第２のモード整形部１３（１４）の両ミラーの外側に配置することができる。この実施形態では、本発明によるレーザ装置１００は、上述のように、共振器ミラーＭ１〜Ｍ５およびＭ７〜Ｍ９を有するレーザ共振器１０を含んでいる。第２のモード整形部１４は、凹面反射ミラーＭ７および凸面反射ミラーＭ８を含んでいる。カー媒質１２は、反射ミラーＭ８と端部ミラーＭ９の間に配置されている。ミラーＭ７およびＭ８は、カー媒質１２におけるビーム・サイズを調節する。図２の実施形態は、カー媒質１２を位置合わせし調節するための空間的な要求に関する利点を有し得る。

図３は、共振器ミラーＭ１〜Ｍ８を有するレーザ共振器１０を含む、本発明によるレーザ装置１００の別の実施形態を示している。第２のモード整形部１４は、第１のモード整形部１３に含まれている。換言すれば、カー媒質１２においてビームを調節するためのビーム・ウエスト・スケーリング配置は、主要なキャビティ内に実装される。主要なキャビティにおける影響を回避するために、第２のモード整形部１３（１４）は、ニュートン式またはガリレオ式の望遠鏡的構造を含み、無限遠点に集束または集光することができる（４ｆ型伸展望遠鏡（4f extension telescope））。図３の実施形態では、平坦なミラーＭ１は出力結合器（供給器）を表している。ミラーＭ２は利得ディスク媒質１１である。凹面および凸面共振器ミラーＭ３およびＭ４は、利得ディスク媒質１１におけるビーム・サイズを調節する第１のモード整形部１３に属する。共振器ミラーＭ５は、或る分散をレーザ共振器１０中に導入する平坦なミラーであり、共振器ミラーＭ６は平坦な端部ミラーまたはＳＥＳＡＭである。第２のモード整形部１４は、第１の曲率半径Ｒ１を有する凹面反射ミラー（鏡）Ｍ７および第２の曲率半径Ｒ２を有する第２の凹面共振器ミラー（鏡）Ｍ８によって形成される。カー媒質１２は、ミラーＭ７とＭ８の間のビーム経路中に配置されている。

図４は、図１の実施形態に類似するレーザ装置１００の別の実施形態を示している。この実施形態では、レーザ共振器１０は共振器ミラーＭ１〜Ｍ９を含んでいる。共振器ミラーＭ１〜Ｍ６およびＭ９は第１のモード整形部１３を形成し、共振器ミラーＭ７およびＭ８は第２のモード整形部１４を形成する。平坦な共振器ミラーＭ１は出力結合器（供給器）である。共振器ミラーＭ２は利得ディスク媒質１１である。凹面および凸面共振器ミラーＭ３およびＭ４は、利得ディスク媒質１１におけるビーム・サイズを調節するために設けられた望遠鏡的配置である。共振器ミラーＭ５は或る分散を有する平坦なミラーであり、共振器ミラーＭ６は、平坦なミラーまたは高い反射率の反射器またはＳＥＳＡＭである。第２のモード整形部１４は、それぞれ曲率半径Ｒ１、Ｒ２を有する凹面ミラーＭ７およびＭ８によって形成される。

本発明の変形例によれば、利得ディスク媒質１１は、図１〜４に示された平坦な幾何学的配置と比較して、修正することができる。第１に、利得ディスク媒質は、平坦な表面を必ずしも有せず、凸面または凹面を設けることができ、従って、第１のモード整形部における複数の湾曲した共振器ミラーの中の１つとして用いられ、特に“凸面−凹面”を含むキャビティで、または望遠的構造の設計において用いられる。さらに、図２の実施形態に類似する実施形態を表す図５に示されているように、複数の薄ディスク・ヘッド１１．１、１１．２（２つまたは３つ以上）をレーザ共振器に（内に）設けることができる。

図６は、複数経路の幾何学的配置を実装することによる、本発明によるレーザ装置１００のパワー・スケーリング（増減）機能または能力を概略的に示している。この場合、レーザ共振器１０は共振器ミラーＭ１〜Ｍ１１を含み、共振器ミラーＭ１〜Ｍ９は第１のモード整形部１３にわたって配置され、共振器ミラーＭ１０〜Ｍ１２は第２のモード整形部１４にわたって配置される。第１のモード整形部１３において、共振器ミラーＭ１は出力結合器（供給器）であり、共振器ミラーＭ４は利得ディスク媒質１１である。共振器ミラーＭ３、Ｍ５およびＭ８は湾曲したミラーであり、一方、共振器ミラーＭ２、Ｍ６およびＭ９は或る分散を有する平坦なミラーである。ミラーＭ２、Ｍ３およびＭ５〜Ｍ８を用いて、複数経路の幾何学的配置が形成される。図６の図は概略的な例示を表しているに過ぎないことに、留意すべきである。本発明によれば、他の複数経路の幾何学的配置が実現できる。

図６において、第２のモード整形部１４は、図１に示されているように設けられる。第２のモード整形部１４は、望遠鏡的配置のミラーＭ１０およびＭ１１および平坦なミラー、高反射率の反射器またはＳＥＳＡＭ１２を含んでいる。カー媒質１２は、湾曲した共振器ミラーＭ１０とＭ１１の間に配置されている。

図７は、独立な（単独の）カー・プレートの代わりに本発明によるレーザ装置で用いることができる、カー・レンズ・ミラー１２を概略的に示している。カー・レンズ・ミラー１２は、第１の高反射性（ＨＲ）被覆１２．２を支持する基板１２．１、カー・レンズ媒質１２．３、および第２の反射防止（ＡＲ）被覆１２．４を含んでいる。カー・レンズ媒質１２．３の基板１２．１との接触によって、カー・レンズ媒質１２．３における熱効果を回避することができる。また、例えばサファイアまたはダイアモンドのようなより高い熱伝導性を有する材料も、潜在的な候補として見なすことができる。利点として、基板１２．１に接触された１μｍ未満の厚さを有する非常に薄いプレートを用いることができる。

カー・レンズ・ミラー１２は、反射において作用する。カー・レンズ・ミラー１２は、カー効果に対して必要な感度を有するレーザ共振器内の任意の位置に実装することができる。

図８は、フェムト秒発振器キャビティ内でＸＵＶ（極紫外線）を発生するように適合化された、本発明のよるレーザ装置１００の別の実施形態を示している。１および第２のモード整形部１３、１４に関して、レーザ共振器は、図１を参照して上述したように構成されている。さらに、ガス噴射を含むキャビティ内媒質１６を含む第３のモード整形部１５が設けられる。キャビティ内媒質１６は、第３のモード整形部１５の湾曲したミラーＭ１０とＭ１１の間の焦点にまたは集束位置に配置される。ＸＵＶ放射は、循環するレーザ・パルスの、キャビティ内媒質１６との相互作用の結果として生成される。ＸＵＶ放射は、レーザ共振器１０における光路に対して或る角度で配置されたブルースター（Brewster）板または凝視入射板（grazing incidence plate）１７を用いて、レーザ共振器１０の外部へと結合（供給）される（［１８］参照）。少なくとも第３のモード整形部１５は、減圧環境に、例えば図１に示されたボックス２１内に配置される。

図９には、本発明によるレーザ装置１００の別の実施形態が、より詳細に示されている。レーザ共振器１０は、共振器ミラーＭ１〜Ｍ１１を含む第１のモード整形部１３と、共振器ミラーＭ１３〜Ｍ１５を含む第２のモード整形部１３（１４）とを含んでいる。

第１のモード整形部１３は、通常のレーザ装置における端部ミラーＭ１２またはＳＥＳＡＭで閉鎖され得る定在波（standing wave）薄ディスク・キャビティである（点線で示されている）。本発明によるレーザ装置では、端部ミラーＭ１２は設けられず、ミラーＭ１５が端部ミラーとして作用する。共振器ミラーＭ１は出力結合器（供給器）であり、共振器ミラーＭ２〜Ｍ５およびＭ８、Ｍ９およびＭ１１は、平坦な高反射率のチャープ・ミラーである。これらのミラーによって導入される負の群遅延分散は約−２２０００ｆｓ^２である。

第２のモード整形部１４はニュートン式望遠鏡的構造であり、このニュートン式望遠鏡的構造は、僅かな非対称性Ｌ１＝Ｒ／２＝１５０ｍｍおよびＬ２＝２００ｍｍ、ミラーＭ１４とＭ１５の間の距離Ｄを有し、距離Ｄは近似的にＤ＝Ｒに等しい。非対称のニュートン式望遠鏡的構造でも、第１のモード整形部１３におけるキャビティ配置には有意なまたは相当な影響は与えない。

各ミラー間の距離（ｍｍ）は、Ｍ１−Ｍ２間：２６５、Ｍ２−Ｍ３間：８５、Ｍ３−Ｍ４間：１５０、Ｍ４−Ｍ５間：１８５、Ｍ５−Ｍ６間：４２５、Ｍ６−Ｍ７間：６４０、Ｍ７−Ｍ８間：２５０、Ｍ８−Ｍ９間：２２０、Ｍ９−Ｍ１０間：２８０、Ｍ１０−Ｍ１１間：２０５、Ｍ１１−Ｍ１３間：３８０、Ｍ１３−Ｍ１４間：３１０、Ｍ１４−Ｍ１５間：２００である。

利得ディスク媒質１１は共振器ミラーＭ６によって形成される。利得ディスク媒質１１は、Ｙｂドープ（添加）濃度７％を有する厚さ２２０μｍのＶ字状のＹｂ：ＹＡＧディスクを含んでいる。ポンプ（励起）モジュール（図示せず、製造業者：Dausinger & Giesen GmbH、ドイツ）が、利得ディスク媒質１１およびポンプ・スポット直径３．２ｍｍを通って２４回通過するように整列させられている。Ｙｂ：ＹＡＧ薄ディスクは、第１のモード整形部１４における折り畳み（folding）ミラー（Ｍ６）の中の１つとして用いられて、波長９４０ｍｍに中心合わせされた（中心波長を有する）ファイバに結合されたダイオードによって励起される。

上述の幾何学的配置で、第１のモード整形部１３は、全体的に大きい各モード・サイズの薄ディスク・キャビティを表す。利得ディスク媒質１１におけるビーム・ウエスト（半径）は１．３ｍｍであり、一方、Ｍ１２またはＳＥＳＡＭにおけるビーム・ウエストは約１ｍｍである。キャビティにおける平均のビーム・ウエストは約２．６ｍｍである。

第２のモード整形部１４は、カー媒質１２において所要のビーム・サイズを形成するように実装される。ニュートン式望遠鏡的構造（４ｆ型伸展）では、距離Ｄは近似的にＲ＝３００ｍｍと等しい（例えば、安定端縁付近で動作するためには、Ｄ＝３０５ｍｍ）。カー媒質１２は、４ｆ型伸展（4f extension）内のブリュースター角度で厚さ１ｍｍの溶融シリカ板である。

レーザ装置１００は、ミラーＭ１３とＭ１４の間の増大された距離Ｄに対応する安定端縁において動作している。この安定端縁は、柔らかい（ソフトな）利得開孔モード同期および硬い開孔モード同期を形成するように、選択される。

図１０および１１は、図９のレーザ装置１００で得られた実験結果を示している。図１０は、出力パワー１５Ｗおよびポンプ・パワー１５０Ｗおよび出力結合器（供給器）透過率５．５％で測定されたスペクトルを示している。さらに、図１１は、測定されたパルス持続時間約１９０ｆｓが得られた自己相関測定値（autocorrelation measurement）を示している。

以上の説明、図面および特許請求の範囲に開示された発明の各特徴は、個々にもおよびその組合せた形でも、本発明をその相異なる実施形態で実現するために、等しく重要であり得る。

別の変形例によれば、レーザ共振器は、外部ファイバ拡張（伸張、拡幅）および圧縮段（broadening and compression stage）と組み合わせることができる。利点として、この組合せによって、パルス・パラメータの更なる調節、例えばパルス持続時間およびパルス・エネルギの調節を、拡張および圧縮段を用いて行うことができる。さらに、レーザ・パルスは、具体的な適用例に関して適合化することができる。代替的にまたは追加的に、外部のキャリア包絡線（エンベロープ）位相安定化に適合化された音響光学変調器を設けることができる。

レーザ装置および外部ファイバ拡張および圧縮段および／または音響光学変調器を含む完全なレーザ・システム、並びに、レーザ装置の、受動的増強キャビティおよび／またはキャビティ外非線形結晶との組合せが、本発明の別の主題であることに留意されたい。

別の変形例によれば、レーザ共振器は、外部ファイバ伸長（拡張、拡幅）および圧縮段（broadening and compression stage）と組み合わせることができる。利点として、この組合せによって、パルス・パラメータの更なる調節、例えばパルス持続時間およびパルス・エネルギの調節を、伸長および圧縮段を用いて行うことができる。さらに、レーザ・パルスは、具体的な適用例に関して適合化することができる。代替的にまたは追加的に、外部のキャリア包絡線（エンベロープ）位相安定化に適合化された音響光学変調器を設けることができる。

レーザ装置および外部ファイバ伸長および圧縮段および／または音響光学変調器を含む完全なレーザ・システム、並びに、レーザ装置の、受動的増強キャビティおよび／またはキャビティ外非線形結晶との組合せが、本発明の別の主題であることに留意されたい。

Claims (31)

1. 利得ディスク媒質（１１）およびカー媒質（１２）を有するレーザ共振器（１０）を含む、レーザ・パルスを生成するよう構成されたレーザ装置であって、
   前記レーザ共振器（１０）は、
   − 前記利得ディスク媒質（１１）中に結合された循環電界を整形するよう適合化された第１のモード整形部（１３）と、
   − 前記第１のモード整形部（１３）における前記循環電界の整形と関係なく、前記カー媒質（１２）中に結合された前記循環電界を整形するよう適合化された第２のモード整形部（１４）と、
   を含むものである、レーザ装置（１００）。
2. 前記第１および第２のモード整形部（１３、１４）は、前記レーザ共振器（１０）中の光路に沿って隣接して配置され、または
   前記第１のモード整形部（１３）は、前記第２のモード整形部（１４）内に配置されるものである、
   請求項１に記載のレーザ装置。
3. 前記第１のモード整形部（１３）は、望遠鏡的幾何学的配置、凹凸面の幾何学的配置、またはその重ね合わせを有するものである、請求項１または２に記載のレーザ装置。
4. − 前記第２のモード整形部（１４）は、少なくとも１つの凸面共振器ミラーと少なくとも１つの凹面共振器ミラーの組合せを含む２つの湾曲した共振器ミラーを有する望遠鏡的構造を含む、または
   − 前記第２のモード整形部（１４）は、２つの凹面共振器ミラーを含むものである、
   請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザ装置。
5. 前記第２のモード整形部（１４）は、２つの湾曲した共振器ミラーを有するニュートン式またはガリレオ式の望遠鏡的構造を含むものである、請求項１乃至４のいずれかに記載のレーザ装置。
6. 前記カー媒質（１２）は前記第２のモード整形部（１４）に配置される、または
   前記カー媒質（１２）は、前記第１のモード整形部（１３）に対して反対の関係で、前記第２のモード整形部（１４）の外側に配置されるものである、
   請求項１乃至５のいずれかに記載のレーザ装置。
7. 前記カー媒質（１２）は、カー・レンズ光学プレートまたはカー・レンズ・ミラーを含み、
   前記カー媒質（１２）は、ＣａＦ_２、溶融シリカ、サファイアまたはガラスで形成されており、および／または
   前記カー媒質（１２）は、６ｍｍ未満、特に１ｍｍ未満の光路長を有するものである、請求項１乃至６のいずれかに記載のレーザ装置。
8. 前記レーザ共振器（１０）は、さらに、半導体可飽和吸収ミラー（１７）を含むものである、請求項１乃至７のいずれかに記載のレーザ装置。
9. 前記半導体可飽和吸収ミラー（１７）は、前記第１のモード整形部（１３）に対して反対の関係で、前記第２のモード整形部（１４）の外側に配置されるものである、請求項８に記載のレーザ装置。
10. 前記レーザ共振器（１０）は、さらに、
    硬い開孔部、
    前記カー媒質におけるモード同期用の開孔部として作用する線形（受動）傾斜ミラー、および／または
    前記レーザ装置の自己始動動作を形成するよう適合化された自己始動装置
    を含むものである、請求項１乃至９のいずれかに記載のレーザ装置。
11. 前記レーザ共振器（１０）は、前記レーザ共振器（１０）内を循環する前記電界の最大利得波長をシフトし、前記レーザ共振器（１０）内を循環する前記電界の利得スペクトルを平坦化するよう配置された、スペクトル濾波または整形ユニットを含むものである、請求項１乃至１０のいずれかに記載のレーザ装置。
12. 前記カー媒質（１２）は、前記レーザ共振器（１０）内を循環する前記電界において新しいスペクトル成分を生成するよう配置されたものである、請求項１乃至１１のいずれかに記載のレーザ装置。
13. 前記レーザ共振器（１０）の一部の少なくとも温度を調節するよう適合化された温度調節装置（２２）を含む、請求項１乃至１２のいずれかに記載のレーザ装置。
14. 前記レーザ共振器（１０）内を循環する前記電界において新しいスペクトル成分を生成する非線形要素として作用するキャビティ内媒質（１６）、および／または
    前記レーザ共振器（１０）において生成される新しいスペクトル成分用の出力結合器として作用するキャビティ内プレート（１７）
    をさらに含む、請求項１乃至１３のいずれかに記載のレーザ装置。
15. 減圧または真空状態で前記レーザ共振器（１０）を収容する真空引きされたボックス（２１）、
    外部ファイバ伸張または圧縮段、および／または
    外部キャリア包絡線位相安定化のために適合化された音響光学変調器
    をさらに含む、請求項１乃至１４のいずれかに記載のレーザ装置。
16. 前記レーザ共振器（１０）は、受動的増強キャビティに、または白色光生成用のキャビティ外非線形結晶に結合されるものである、請求項１乃至１５のいずれかに記載のレーザ装置。
17. 利得ディスク媒質（１１）およびカー媒質（１２）を有するレーザ共振器（１０）を用いてレーザ・パルスを生成する方法であって、
    第１のモード整形部（１３）において、前記利得ディスク媒質（１１）中に結合された循環電界を整形するステップと、
    前記第１のモード整形部（１３）における前記循環電界の整形と関係なく、第２のモード整形部（１４）において、前記カー媒質（１２）中に結合された前記循環電界を整形するステップと、
    を含む方法。
18. 前記第２のモード整形部（１４）における前記循環電界の整形は、
    少なくとも１つの凸面共振器ミラーと少なくとも１つの凹面共振器ミラーの組合せを含む２つの湾曲した共振器ミラーを有する望遠鏡的構造、または
    ２つの凹面共振器ミラー
    を用いて行われるものである、請求項１７に記載の方法。
19. 前記第１のモード整形部（１３）における前記循環電界の整形は、
    少なくとも１つの凸面共振器ミラーと少なくとも１つの凹面共振器ミラーの組合せを含む２つの湾曲した共振器ミラーを有する望遠鏡的構造、
    凹凸面の幾何学的配置を有する複数の共振器ミラー、または
    前記望遠鏡的構造と前記凹凸面の幾何学的配置の重ね合わせ
    を用いて行われるものである、請求項１７または１８に記載の方法。
20. 前記第２のモード整形部（１４）における前記循環電界の整形は、２つの湾曲した共振器ミラーを有するニュートン式またはガリレオ式の望遠鏡的構造を用いて行われるものである、請求項１７乃至１９のいずれかに記載の方法。
21. 前記カー媒質（１２）は前記第２のモード整形部（１４）に配置される、または
    前記カー媒質（１２）は、前記第１のモード整形部（１３）に対して反対の関係で、前記第２のモード整形部（１４）の外側に配置されるものである、
    請求項１７乃至２０のいずれかに記載の方法。
22. 前記レーザ共振器（１０）における前記循環電界のモード同期は、前記レーザ共振器（１０）に含まれている半導体可飽和吸収ミラー（１７）によって始動されるものである、請求項１７乃至２１のいずれかに記載の方法。
23. 前記半導体可飽和吸収ミラー（１７）は、前記第１のモード整形部（１３）に対して反対の関係で、前記第２のモード整形部（１４）の外側に配置されるものである、請求項２２に記載の方法。
24. 前記レーザ共振器（１０）は、さらに、
    硬い開孔部、
    前記カー媒質におけるモード同期用の開孔部として作用する線形（受動）傾斜ミラー、および／または
    前記レーザ装置の自己始動動作を形成するよう適合化された自己始動装置
    を含むものである、請求項１７乃至２３のいずれかに記載の方法。
25. さらに、最大利得波長をシフトし利得スペクトルを平坦化するよう前記循環電界をスペクトル濾波することを含む、請求項１７乃至２４のいずれかに記載の方法。
26. 前記カー媒質（１２）またはキャビティ内媒質（１６）を用いて、前記レーザ共振器（１０）内を循環する前記電界において新しいスペクトル成分を生成することを含む、請求項１７乃至２５のいずれかに記載の方法。
27. さらに、前記カー媒質（１２）またはキャビティ内プレート（１５）を用いて、前記レーザ共振器（１０）から新しいスペクトル成分を出力結合することを含む、請求項１７乃至２６のいずれかに記載の方法。
28. 前記レーザ共振器（１０）の一部の少なくとも温度を調節することを含む、請求項１７乃至２７のいずれかに記載の方法。
29. 減圧または真空状態で真空引きされたボックス（２１）に前記レーザ共振器（１０）を配置すること、
    前記レーザ共振器（１０）を外部ファイバ伸張または圧縮段に結合すること、および／または
    音響光学変調器を用いて外部キャリア包絡線位相安定化を行うこと
    を含む、請求項１７乃至２８のいずれかに記載の方法。
30. さらに、減圧または真空状態で真空引きされたボックス（２１）に前記レーザ共振器（１０）を配置すること、
    前記レーザ共振器（１０）内で形成されたレーザ・パルスを、外部ファイバ伸張または圧縮させること、および／または
    前記レーザ共振器（１０）内で形成されたレーザ・パルスを、音響光学変調器を用いて外部キャリア包絡線位相安定化させること
    を含む、請求項１７乃至２９のいずれかに記載の方法。
31. さらに、前記レーザ共振器（１０）を、受動的な増強キャビティに、または白色光の生成のためのキャビティ外非線形結晶に結合させることを含む、請求項１７乃至３０のいずれかに記載の方法。

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