289 ピコ秒 モー ド同期 Nd i YAGレ ーザ ーの試作 小林洋志 *。 田中省作 *・ 上 岡充生 **e渡 部 (1978年 明*・ 笹倉 博* 5月 31日 受 動 Dcsign of Picosccond MOddocked Nd :lFAG Laser by Hと oshi KoBAYASHI,*ShOSaku TANAKA,*A/1itsuO UEOKA,** Akira WATANABE*and Httoshi SASAKURA* GeCe ed M2y 31,197o Abstract lnfrared Picosecond PuISe trains(∼ 7 ns pulse scParation)haVe been obtained from a Passive modelocked Nd : YAG laser,Modelocking is achieved by a saturable absorber dye(NDL l12)in l, 2‐ dichloroethane. 30 Ps.The efficiency The pulse duration is ineasured by TPF technique to be∼ With■7hiCh energv is transtered￡ rom alamp tOthe Nd:YAG rod is determined by the delay time of emission from a krypton flashlampt By v2rying the impedance characteristics of the krypton flashlamP, the optimuoェ delay time (N105/rs) iS Obtained. In order to generate the stable picosecond Pulse ( ∼ 3 percent fluctuatiOn), the Output voltage fluctuation of Power supply must be held MIithin ∼2 percent. The SHC(532 nm)and the THG(355 mm)of PiCOSecond PulseS from the Nd:YAC laser were also obtained by using KDP(KH2 P04)Crystals of Type l and Type II Phase‐ inatChing,resPeCtiVely. 1.ま え が き パルス発振 レーザ か ら発 生 する光パルスのパルス幅 は,マ イクロ秒 (10 6s)領 域である。しかし Qス イッ チ法を用いることによリパルス幅はナノ秒 (10 9S)領 ° 域まで短くすることができる 。 そしてモー ド同期法を 用いれば,パ ルス幅はさらに短くなり現 在 では ピコ秒 (10-12s)領 域にまで短 くすることができるようになっ このようなパルス幅の短縮 と同時に,光 パルスの 尖頭出力も,数 100kW程 度からしだいに高 くなり,最 2)。 た *電 子工学科 近では,数 100MWの 光パルスを発生できるようにな っ 2)。 た ピコ秒領域 のパルスが得 ら浄るようになったため,現 在で は,従 来の電気的方法では直接測定が不可能であっ 4)の 3)ゃ ピコ秒 領域での高速緩和現 た固体物質 有機物質 象 の研究が可能 となっている。また,高 い尖頭 出力をも つ光パルスが得 られた ことによ り,非 線型光学効果 の実 5)。 験 にも広 く応用されるに至 っている ピコ秒パルス・ レーザには,モ ー ド同期を行な った各 種 の レーザがあるが,ま だ多 くの問題を残 している。そ Department of Electronics **現 在 :日 本電気株式会社 Present Address:Nippon Electronic Co.,Ltd. 290 小林洋志 。田中省作・ 上岡充生・ 渡部 明・ 笹倉 博 :ピ コ秒 モー ド同期 Nd i YAGレ ーザーの試作 こで,我 々は,ピ コ秒パルス・ レーザ として,モ ー ド同 期 Nd:YACレ ーザを試作 し,そ の動作特性を検討 し た。本報告では,そ ― ド同期 Nd:YAGレ ーザの簡単 光学共振器内には,C/2L(C:光 速度,L:共 振器 長)の 周波数間隔で多 くの縦発振 モー ドがある。そのた め, レーザ発 振 は,一 般 に多縦 モー ド発振 となる。モー な動作原理,試 作 した レーザの構造,得 られた ピコ秒 レ ーザ ●パルスの特性, レーザ発振強度 の電源電圧依存性 ド同期を行なわない レーザ発振 (多 モー ド非同期)の 状 態を Fig.1(a)に 示す。各発 振モー ドの位相φ(フ )は 一定 さらに試作 した レーザか らの ピコ秒 レーザ・ パル スを基 でな く,熱 雑音的に変化 してお り, その強度分布 i(〃 ) も変化する。 このため,時 間領域での位相 0(t),お よ び強度 I(t)も 時間 とともに変化 している。次にモー ド 本波 とした第 2高 調波および第 3高 調波の発生につい て 報告する。 2.モ ー ド同期による ピコ秒 レーザ・ パルス の発生方法 2-1 6) モー ド同期の原理 レーザ光のパルス幅を短 くす る方法 として, Qス イ ッ チ法がある。しか し,こ の方法では ,パ ルス幅 は数 ナノ秒 までしか短縮できない。さ らに短いパルス幅 (∼ 10 12s) を得るためには,モ ー ド同期を行なう必要がある。次に モー ド同期の原理について,簡 単 に説 明す る。 同期を行なった レー ザ 発 振 (多 モー ド同期)の 状態を Fig.1(b)に 示す。モー ド同期が行なわれると,熱 雑音 的に変化 していた位相は,φ ML(フ )の ように一定値に同 期される。また,出 力 iML(フ )は ガウス型分布 となる。 定 と な り IML(t)は こ の と き ,OML(t)は '図 の よ う に 単一パルス となる。 モー ド同期 された ときには,IML(t)の 半値幅 どとと iML(ν )の 半値幅 Zン 7) の間には,次 のような関係がある ・一 わ 雲 は)式 より,レ ーザ 発 振 ス ペ ク トル の 半 値 幅 わ が 1012Hzの とき,出 カ レーザ・ パルスのパルス幅 Ztは 約 1012sと なる。このことか ら, レーザ媒質 の レーザ発振 スペ ク トル幅 (ゲ イ ン幅)が 約 1012Hzの とき, ピコ秒 レーザ・ パルスを得 ることがで きる。 我 々 が 使用 した Nd:YAGで は,ゲ ィ ン幅 は 1,8× 101lHzで ぁ り,(〕 式か ら,出 カパルス幅 は約 6 Psと なる。 2-2 受動 モ… ド同期 と能動 モー ド同期 モー ド同期の方法には,受 動 モー ド同期 と能動モー ド B)。 我 々は, ピコ秒 レーザ・ パルスを得 るた めに,受 動 モー ド同期を用いた。 同期がある υ 司岬 酢 陣 肺 蘇И IML(υ ) IML(t) 0 ‐打 〔 φML(り ) F二 g.ls二 ΦML(1) =nuladOn of the signal structure of(a) A non‐ =40de10cked laser, and(b) An ideally modeiocked iaser(frOm Bradley and New6)). 受動 モー ド同期は,可 飽和吸収体を光学共振器内に置 き,可 飽和吸収体の非線型特性 に よ り,モ ー ド同期を行 なう方法である。可飽和吸収体 には,可 飽和吸収色素溶 液を用いる。 この方法 は,Nd:YAGレ ーザ,有 機色 素 レーザな どのパルス発振 レーザ に よく用い られてい る。 他方 ,能 動 モー ド同期は,変 調素子を光学共 振器内に 置き,こ の変調素子を外部か ら,縦 モー ド間隔 (C/2L) に近い周波数で変調す ることに よ リモー ド同期を行な う 方法である。 この方法 は,Arィ ォ ン・ レーザ,He一 Ne ガス・ レーザ な ど の 連 続 発 振 レー ザに よく用い られ 。 )。 る 鳥 取 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 9巻 び∼810nm)と よく一致 してお り,効 率 よい励起が可能 引卜 装■6'ns なためである。 ランプ・ ハ ウスには,真 鋳 を 加 工 して楕 円筒 (長 径 60mm,短 径 56.56mm)を 作 り,Krフ ラッシュランプ と Nd:YAGロ ッ ドを各焦点に配置 した。また,紫 外 線 の反射を抑 え,600nm∼ 900nmの 光を よく反射させる ために 円筒 の内面 は,鏡面 バ フ研磨 した上に15μ m のエ ッケル・ メ ッキを し,そ の上に 3μ mの 金メッキを 10),楕 ↓ αt i 0641Jn 行な った。 3-1-2 Fig。 2 optical schematic of the modelocked Nd : YAG laser system. 光学共振器 光学共振器 は,平 行平面型 であ り,共 振器長 L=lm である。使用 した 2枚 の反射鏡 は,反 射率がそれぞれ , 100%,50%で ,く 3,試 作 した モ ー ド同期 Nd:YAGレ ーザ・ システム 試作 したモー ド同期 Nd i YAGレ ーザ・ システムの 構成を Fig.2に 示す。 レーザ媒質 には,Nd:YAGを 用い,励 起 はクリプ トン (Kr)・ フラッシュランプで lmで い ,光 行な 学共振器長は ぁる。 さび形 の多層蒸 着膜 平面鏡 (昭 和光 機製)で ある。これ らの反射鏡を,ス テ ンレスパ イプと ジュラル ミン板で製作 した レーザ支 持 装 置 に取 りつ け た。鏡の平行度 はマイクロ ●メータ・ ヘ ッ ドに より, 2 ×10-5rad(∼ 4秒 )以 内の精度 で調整できる。Fig.3 の He一 Neレ ーザは,光 軸調整用 である。 ＳＰ Ａ ﹂Ｍ Ｆ Ａ 5AT8,合 F二 DLE s DE WEW g,3 AttOdelocked ttd:YAG laser system. 引 3-1 レーザ発振器 F二 g。 支持装置に組み込 んだモー ド同期 Nd:YAGレ ーザ ・ システムを Fig。 3に 示す。 3 1--1 ランプ・ ハ ウス 使 用 した Nd:YAGロ ッド (直 径 4mm,長 さ 75mm,米 国 Airtron社 製)は ,両 面 ブ リュースが―カ ッ トで,面 精度 光/10の ものである。 レーザ発振波長 は,1.064μ m(4F3/2→ 4ェ 励起光源には,水 冷式 (直 径 ュ ェ /2)で ある。 ラッシュランプ 4F2K Krフ 4mm,放 電長 50mm,米 国 ILC社 製)を 使用 した。この理 由は,Krフ ラッシュランプの輝線 スペ ク トルが Nd:YAGの 吸収 スペ ク トル (∼ 750■ mぉ ょ 卜 5い s 4 Block diagraコ n of the power supply. 3-1-3 モー ド同期用可飽和吸収色素セル モー ド同期のために使用 した可飽和吸収色素 は ,NDL l12(日 木感光色素研究所製)で ある。 溶媒 にはア ミノ 酸分析用 1,2-ジ クロルエタ ン (和 光純 薬製)を 用い た。溶液の濃度 は,0・ 0125m g/ccで ある。セルは,100 %反 射鏡の片面を利用 し,0・ 7mmの 隙間をあけて, く さび形基板 とで構成 した。 この隙間に可飽和吸収色素溶 液を循環させた。 3-2 Krフ ラッシュランプ励起用電源 Krフ ラッシュランプに使用す る電源の概略図をFig。 4 に示す。この電源は, 3相 200V,6Aを 整流 し,充 電用 292小 林洋志・ 田中省作 。上岡充生・ 渡部 明・ 笹倉 サイ リス タ (SCRl)に より,容 量20μ Fの コンデ ンサに 電気 エネルギ ーを蓄え, トランジスケ (Tr)に より 蓄えられた電気 エネルギ ーを一定に保つ ようになってい る。 コンデ ンサに蓄えられた電気 エネルギーは,放 電用 , サイ リス タ (SCRり ぉ ょび コイル (L)を 通 して,最 大 20Hzの 繰 り返 し周波数で Krフ ラッシュランプに 送 られる。図 の抵抗 (R)は Krフ ラッシュランプに常 時約 50mAの 電流を流すためのものであ り, これにより 発振時に ランプ点灯用イグニ ッシ ョン・ パルスを必要 と せず発振時 の電気的ノイズを減 らす ことができる。 この電源 の動作 の概略を Fig.4の 内挿図に示す。 4.試 作 したモー ド同期 Nd:YAGレ ーザの特性 4_1 パルス・ トレインの観測 試作 したモー ド同期 Nd:YAGレ ーザのパルス ●ト レインを観測 した。その結果をFig.5に 示す。図か ら , パルス ●トレインは約20本 の ピコ秒パルスで構成 されて いることがわかる。パルス間隔は,約 7 nsで ぁ り, この 値 は, 2L/C(C=3× 108m/s,L=lm)か ら得 られ 博 :ピ コ秒 モー ド同期 Nd:YAGレ ーザーの試作 4-2 TPF法 によるパルス幅の測定11) TPF(Two_PhOtOn Fluorescence)法 に より,試 作 したモー ド同期 Nd:YAGレ ーザの出カ パル ス幅を測 定 した。TPFパ タ_ン は有機色素 ローダ ミン 6Gの エ チル アル コール溶液 セルに,モ ー ド同期 Nd:YAGレ ーザか らの レーザ ●パルスを両方向か ら入 射 して測定 し た。 そ の結果 を Fig.6に 示す。図か ら,パ ルス 幅 約 30Psが 得 られた。この値 は,位 )式 か ら得 られるパルス幅 (∼ 6Ps)ょ り 約 5倍 大きいが,こ の 理 由はよくわか ら ない。 4-3 レーザ発振強度と電源パ ラメータ Nd:YAGを 効率 よく励起するためには,Krフ ラッ シュランプの励起条件を最適にす る必 要がある。 そ こ で,L(Krフ ラッシュランプの発)ヒ 遅延用 コイル)の 値を変化させ, このときの Krフ ラッシュラ ンプの発光 の遅れ時間 (T)と レーザ発振 しきい値電圧 (Vth), および レーザ発振強度 との関係を測定 した。 この結果を Fig.7に 示す。 る値 Φ・7ns)と ょく一致する。 パルス・ トレイ ンは,バ イプラナ光電管 とオ シロスコ ープを用いて観測 した。しか し,こ の測定系の時定数 は 約 l nsで ぁ り,Fig.5か ら各パルスのパルス幅を測定す ることはで きない。 1 1 1 捻 』 船 篤 iV =衡 Fig。 20n3'diY, 一 Fttg.5 0scillogra逮 ■of the modelocked pulse tra二 n frOm the modeユ 。cked Nd: YAG laser. 6 PhotOgraph Of the expeFimenLal two― photOn fiuorescence traces. 発振 しきい値電圧 α th)は , Tが 約 105μ sの とき最 も低 く,約 0,7kVで ぁる。使用 した コンデ ンサの容量は 20μ Fで ぁるか ら,発 振 しきい値 エネルギ ーは約 4.9J である。この結果か ら Nd i YAGを 効率 よく励起す る ためには,Krフ ラッシュランプの発光を約 105μ s遅 ら せ る必要があることがわかる。 これ は,Nd:YAGの 鳥 取 大 学 工 学 部 研 究 報 告 自然放出寿命が約 230μ sと 比較的長い ことに よると思わ れ る。 第 9巻 293 5.第 2(SHG),第 3(THc)高 調波 の発生 ワ'13) KDP(KH2 P04,負 結 晶 n。 >ne)を 2(SHG:Second‐ Harmonic Generation) 非線 型光学結 晶 用 いて,第 第 3(THG:Third‐ Harmonic CeneratiO→ 高調波 の発生 を行 な った 。 これに よ り,赤 外 ＼ / / 064μ m),可 ザ ●パ ル スを得 た。 ＼当ノ蜘 ＼ (1・ 視 Φ32■ m)ぉ ょび紫外 $55nm)に おけるピコ秒レー KDP rYPE I KDP TVPEエ ―――+型 ヨ 95 O(1004"m}Olio64Ⅲ m) Fig.7 Threshold vo■ age and laser_Output intensity versus delay t二 me of the Kr flasttamp. レーザ発 振 強度 は Tに はほ とん ど依存 しな い ことがわか る。 この ことか ら, ラ ンプの最適遅れ時 間 は約 105μ sで ぁ る。 次 に, Krフ (∼ 105μ 値 して, harmodc generation from the 位相整合 は角度位相整合を用いた。このときの概略図 を Fig.9に 示す。第 2高 調波 の発生には,モ ー ド同期 Nd:YAGレ ーザの基本波 1・ 064μmを 常光線 とし , 第 2高 調波 032nm)を 異常光線 とする Typeェ 角度位 ラッシュ ランプの発光 の遅 れ時間を最適 s)に m) e(θ X35Snfn) fundamental pulse. 一方 , レ…ザ発 振強度 と Krフ ラッシュ ラ ンプの発光 kV)で は, m)tO(532ぉ 一 of the secOnd‐ Fig,9 opttcal schematic tttrd‐ の遅 れ時 間(T)と の 関係 か ら,し きい値電圧付近 (∼ 0,7 0(つ )l o64口 一――一)0(θ X502nm) レーザ発 振強度 と印加電圧 との 関係を測定 した。この結果を Fig.8に 示す。図か ら レーザ発振強度 は, しきい値電圧付近 (∼ 0・ 7kV)の 方 相整合を用いる。 このとき,整 合角 θmは ,次 式で与え られる。 , が安定である ことがわかる。また ,Fig.8か ら電源電圧 の変化 ИVに 対する レーザ発振強度 の変化 ZIの 比を求 めると,ど 1/ど V主 1・ 5で ある。 このことか ら, レーザ発 振強度 の変動を 3%程 度 に抑 えるためには,電 源電圧の 変動は 2%以 内に抑える必要がある。 dド ら = … … … 12)式 か ら,θ m-420を 得る。 第 3高 調波 の発生には,1.064/Lmを 異常光線,532nm を常光線 とし,第 3高 調波 $55nm)を 異 常 光 線 とす る,Typeェ 位相整合を用いる。このとき,整 合角 は次式で与えられる。 2=[赫 Ｃコ ＯＬＯ︶ ＞十一 ゆＺＷ卜Ｚ一 ＾い一一 [暑 ]年 [サ 〕 [学‖ 券 H締 紀(姉 =孝 B° Fig. 8 Laser‐ output intensれy versus input vohage for the Jね iager. Ode10cked Nd:YAC ・ ・ ・121 [■ g(ら )+・ 'm ]2… H3刊 ]生 .....・ 1321 '卜 …… ……(3-3) を 1・ 上式か ら,θ m主 57。 を得 る。 我 々は,SHCの 発生に10X10× 20mm,41。 ヵ ッ トの Nd:YAGレ 294 小林洋志 。田中省作・ 上岡充生・ 渡部 明・ 笹倉 博 :ピ コ秒 モー ド同期 KDP(Type I)結 晶を使用 し, THGの 発生 には 10x10× 20mm,60。 ヵッ トの KDP(Type Ⅱ)結 晶を , 使用 した。変換効率は,SHGの 場合約30%,THGの 装置 の製作 に協力 していただいた,固 体電子研究室 の方 々,特 に 中山博文氏,田 渕晴彦氏お よび藤原瑞穂氏に感 謝 します。 場合約40%で ぁる。 参 ま 6。 試作 したモー ド同期 と め ーザ (発 振波長 1・ 064μ m)に 可飽 和吸収色素溶液 (NDL l12の 1,2-ジ クロルエ タン 溶液)に よる受 動 モー ド同期を行ない,ピ コ秒 レー ザ・ パルスを得た。 (2)モ ー ド同期に よるパ ルス・ トレインを観測 し,パ ルス間隔約 7 nsは ,2L/Cか ら求めた値 (∼ 6.7ns) と一致することがわか った。 俗〕 TPF法 により,パ ルス幅を測定 し, そ の結果約 30Psの 値を得た。 (4)Krフ “LASER 五shing Nd:YACレ 考 文 献 (1)F.T, Arecchi and E.0.Schulz‐ Dubois: Nd:Y▲ Gレ ーザの特性を次に まとめて述べ る。 (り ーザーの試作 HANDBOOK"(North_Homand Pub_ Company,Ansterdam,1972)P.529_538。 (2)S. L, Shttpiro : “Ultrashort Light Pulses'' (SPringer_Verlag,New York Heidelberg Berln, 1976)p。 18‐ 76. (3)S・ Lo Shapiro : “Ultrashort Light Pulses" (Springer_Verlag,New York Heidelberg Berln, 1976)p. 204‐ 273. (4)S・ L.Shapiro:“ Uhrashort Light Pulses" (SPringer_Verlag,New York Heidelberg Berlin, 1976)P, 275‐ 315. ラッシュ ランプに よる励起 エネルギ ーを最 も効率 よく Nd:YAGロ ッ ドに送 るために, ラン プの最適励起条件を求めた。そ の結果 ,Krフ ラッシ (5)S.L. Shapiro : “Ultrashort Light Phlses" (SPringer_Verlag,New York Heidelberg Berlin, 1976)p. 123_201. ュランプの発光 の遅 れ時間 の最 適 値 (∼ 105μ s)を 得 た。 このとき,発 振 しきい値 電 圧 は最 も低 く約 (6)D.J.Bradley and C,H,C,New:Proc.IEEE 0.7kVで ぁり,発 振 しきい値 エネルギーは約 4.9J (7)W・ Koechner:“ Solid‐ State Laser Engineering" (SPringe卜 verlag,New York Heidelberg Berlin, である。 151 レーザ発振強度は, しきい値電圧付近 (∼ 0,7kVJ が最も安定であり,電 圧が高 くなるとレーザ発振強 度 の変動 は大き くなる。 この発振強度 の変動を約 3 1 %以 内にするに は,電 源電圧の変動を約 2%以 内に する必要がある。 (6 62 (1974) 313. 非線型光学結晶 KDPを 用いて, 基本波 μm)か ら,第 2高 調波 (532nm,Typeェ (1・ 064 )ぉ ょ び第 3高 調波 (355nm,Type正 )を 得 た。変換効 率 は,そ れぞれ約 30%と 約40%で ぁる。 Nd:YAGレ ーザを試作 し,SHG および THGを 用いて,赤 外,可 視お よび紫外領 そ― ド同期 域での ピコ秒 レーザ ●パル スを得た。 これ らのパ ル スを用いた光物性研究への応用については別の機会 1976)P。 (8)S・ 459‐ 474. Lo Shapiro : ``UItrashort Light Pulses" (Springer_Verlag,New York Heidelberg Berlin, 1976)P159‐ 65. (9)A.Y2 V: “Quantum Electronics 2nd ed。 " (JOn Wiley and Sons,Inc,, New York, 1967) P.248‐ 281, ool W.Koechnrr: ``Solid‐ State Laser Engineerineg" (Springer_verlag,New York Heidelberg Berlin, 1976)p. 327. lo S.L. ShaPiro : ``Ultrashort Light Pulses'' (Sp nger_verlag,New York Heidelberg Berlin, 1976)P. 83_119. lD A.Yattv : に報告 したい。 “Quantun Electronics 2nd ed," (JOhn Wiley and Sons,Inc,, New York, 1967) 謝 辞 この研究を行 うにさい して,有 益な助言をいただいた P. 421_436. 131S.Lo Shapiro : ``Ultrashort Light Pulses'' 東京大学物性研究所 の塩谷繁雄教授ならびに田中裕一氏 (Springer_Verlag,New York Heidelberg Berlin, に感謝 します。 1976),。 125_133。
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