專利名稱：：模式同步固體激光裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種固體激光裝置，尤其涉及可以實現(xiàn)短脈沖動作的小型化孤子型的模式同步固體激光裝置。
背景技術(shù)：
：以往開發(fā)的固體激光裝置將半導(dǎo)體激光器(LD)作為激發(fā)光源，并采用添加了稀土類離子或過渡性金屬離子的固體激光介質(zhì)(激光晶體、陶瓷、玻璃)。其中，產(chǎn)生皮秒至飛秒?yún)^(qū)域的所謂短脈沖光的短脈沖激光裝置，在醫(yī)療、生物、機械產(chǎn)業(yè)、計測等眾多應(yīng)用領(lǐng)域中得到研究及提倡，而且經(jīng)過實際驗證后，一部分得到實際應(yīng)用。這種激光裝置通過被稱為模式同步的動作來產(chǎn)生短脈沖。簡單地講，所謂模式同步指如下現(xiàn)象在激光振蕩時的頻率區(qū)域中觀察時多個縱模式的相位全部同步(相對相位差=0)，因此根據(jù)縱模式之間的多模干擾成為在時間區(qū)域中極短的脈沖。在固體激光裝置中，基于半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SemiconductorSaturableAbsorbingMirror,SESAM)的模式同步，由于簡便、低成本、尺寸小以及自行開始的優(yōu)點等，被投入了較大精力進行其研發(fā)。尤其在作為CW(連續(xù)振蕩)模式同步的一種形式的孤子型模式同步中，激光諧振器內(nèi)的負(fù)的群速度色散與主要在激光介質(zhì)的自身相位調(diào)制進行結(jié)合，可以產(chǎn)生飛秒?yún)^(qū)域的脈沖。更加具體地講，所謂孤子型模式同步指通過可飽和吸收鏡起動模式同步而使脈沖保持穩(wěn)定，并且經(jīng)過由負(fù)群速度色散與自身相位調(diào)制的平衡引起的孤子脈沖形成，產(chǎn)生模式同步脈沖的陡峭化，可以產(chǎn)生穩(wěn)定的脈沖(參照非專利文獻1、3)。另外，用于實現(xiàn)上述孤子型模式同步的固體激光裝置基本上在諧振器內(nèi)設(shè)置固體激光介質(zhì)、可飽和吸收鏡和負(fù)群速度色散元件。另外，以下有時也把負(fù)群速度色散簡稱為負(fù)色散。圖17表示非專利文獻1所示的現(xiàn)有的Yb摻雜的孤子型模式同步固體激光器(固體激光介質(zhì)為Yb:KGd(W04)2)的典型結(jié)構(gòu)。在該圖17中，80表示產(chǎn)生例如波長980nm的激發(fā)光的激發(fā)光源，81表示分別與一對激發(fā)光源80對應(yīng)地設(shè)置的輸入光學(xué)系統(tǒng)，83表示固體激光介質(zhì)，MpM2表示構(gòu)成諧振器的例如曲率半徑20cm的一對凹面鏡，84也表示曲率半徑20cm的凹面鏡，85表示SESAM，86和87表示由構(gòu)成棱鏡對的例如SF10玻璃形成的棱鏡，88表示刀口板，89表示例如透射率4.3%的輸出耦合器。在現(xiàn)有裝置中，如圖17所示，為了減小在激光介質(zhì)的激光振蕩光的光束半徑Ol、在SESAM的激光振薪光的光束半徑coa，采用通過凹面鏡Ml、M2和84在固體激光介質(zhì)上和SESAM上分別聚束激光振蕩光的光束半徑的結(jié)構(gòu)。這樣減小激光介質(zhì)上和SESAM上的點尺寸(振蕩光的光束半徑)的理由有以下兩點。首先，第一個理由是為了降低激光振蕩閾值，第二個理由是為了滿足孤子模式同步條件。首先說明第一個理由。激光振蕩閾值Pth利用下述公式(1)表示(參照非專利文獻2)。2<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(1)其中，cop:固體激光介質(zhì)中的激發(fā)光束半徑，lwp:激發(fā)光光子能量，a:固體激光介質(zhì)的受激發(fā)射截面面積，上限能級壽命，TV吸收效率，f1:下限能級壽命，f2:上限能級的占有率，Li:諧振器內(nèi)部損耗，Toc:輸出鏡透射率，NQ:稀土類離子添加濃度，IS:晶體長度。根據(jù)公式(1)可知，為了減小振蕩閾值，可以減小固體激光介質(zhì)中的振蕩光束半徑①L和激發(fā)光束半徑Wp。下面，說明第二個理由即孤子模式同步的條件。根據(jù)非專利文獻3的記載可知，在孤子型模式同步激光裝置中，在何種條件下產(chǎn)生混合存在Q開關(guān)動作的模式同步(Q開關(guān)模式同步)。Q開關(guān)模式同步是指，在Q開關(guān)脈沖(頻率kHz數(shù)百kHz，脈寬為微秒至納秒?yún)^(qū)域)的長脈沖中排列有模式同步脈沖串(頻率為10MHzGHz，脈寬為皮秒至飛秒)的情況。該動作模式的輸出和脈寬、脈沖周期的穩(wěn)定性不足，所以除能量應(yīng)用以外，一般不優(yōu)選。根據(jù)非專利文獻3，在使用可飽和吸收鏡的孤子型模式同步激光裝置中，不產(chǎn)生Q開關(guān)動作的條件利用下述公式(2)表示。數(shù)學(xué)式(2)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，Ep:諧振器內(nèi)部脈沖能量，AR:可飽和吸收鏡的調(diào)制吸收深度，F(xiàn)sat,A:可飽和吸收鏡的飽和通量，F(xiàn)sat.L(=hv/a):激光介質(zhì)的飽和通量，hv:振蕩激光光子能量，Aeff.A(=71QA2):可飽和吸收鏡上的振蕩光束截面面積，Aeff.L(=7UDL2):激光介質(zhì)中振蕩光束截面面積，g:激光介質(zhì)的激光增益，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(n2:激光介質(zhì)的非線性折射率，D:在諧振器整體往復(fù)一次的群速度色散(D<0)，人0:振蕩光的中心波長，AvG:增益波段寬度)。另外，在公式(2)中，左邊二右邊時的Ep的解是模式同步閾值，所謂滿足公式(2)指設(shè)定為Ep大于該模式同步閾值。根據(jù)公式(2)可知，為了避免發(fā)生Q開關(guān)模式同步，需要減小在激光介質(zhì)的光束截面面積和在SESAM上的光束截面面積，以及/或者增大諧振器內(nèi)部脈沖能量Ep。根據(jù)以上理由，在圖17所示現(xiàn)有裝置中，多采用以下結(jié)構(gòu)來減小在固體激光介質(zhì)和SESAM上的振蕩光束直徑，利用兩個凹面鏡包夾固體激光介質(zhì)，將振蕩光束聚束在固體激光介質(zhì)中，而且在SESAM上也利用凹面鏡將振蕩光束聚光。另外，在專利文獻l、2的在諧振器內(nèi)具有負(fù)群速度色散元件的模式同步固體激光裝置中，記載了實現(xiàn)裝置小型化的結(jié)構(gòu)。具體地講，專利文獻1提出的模式同步固體激光裝置，通過將固體激光介質(zhì)和SESAM靠近配置來實現(xiàn)小型化，專利文獻2提出的模式同步固體激光裝置，在固體激光介質(zhì)上涂覆形成可飽和吸收鏡，并且使負(fù)色散鏡兼作輸出鏡，從而減少光學(xué)部件并實現(xiàn)小型化。專利文獻l:美國專利7106764號說明書專利文獻2:日本專利特開平11-168252號公報非專利文獻1:OpticsLetters,vol.25no.15pp.1119-1121,2000非專利文獻2:AppliedOptics,vol.36no.9pp.1867-1874,1997非專禾U文獻3:JournalofOpticalSocietyofAmerica,vol.16no.lp.46-56,1999在具有上述圖n所述結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有模式同步固體激光裝置中，最少需要3個凹面鏡，根據(jù)情況還需要多個用于光束折返的反射鏡。因此，構(gòu)成模式同步固體激光器的光學(xué)部件數(shù)量增多，進而導(dǎo)致裝置成本增加。在此，具體研究現(xiàn)有模式同步固體激光裝置的尺寸。凹面鏡與激光介質(zhì)以及凹面鏡與SESAM之間設(shè)定為曲率半徑的一半左右的距離，所以僅是3個凹面鏡、激光介質(zhì)、SESAM的結(jié)構(gòu)，諧振器長度也需要150mm(曲率半徑100mm時)300mm(曲率半徑200mm時)左右的長度，進而考慮到設(shè)置用于向諧振器內(nèi)插入負(fù)群速度色散元件等的空間(例如，在圖17的示例中，作為負(fù)群速度色散元件的棱鏡對86、87的間隔是450mm)，需要500mmlm量級的諧振器長度。一般而言，在固體激光器中裝配米量級的諧振器時，難以穩(wěn)定地動作，因此現(xiàn)有裝置的激光振蕩動作的穩(wěn)定性較低。并且，為了減小固體激光介質(zhì)中的激發(fā)光束半徑cop，將從LD等激發(fā)光源輸出的激光充分拘束并入射固體激光介質(zhì)中，為此設(shè)置組合了多個透鏡的復(fù)雜的激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)，激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)也容易增大。在專利文獻1、2中記載有將諧振器設(shè)置成直線式來實現(xiàn)小型化的例子，但是激發(fā)光與上述例子同樣經(jīng)由凹面鏡輸入，無法充分實現(xiàn)激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)的小型化。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明考慮到上述問題，目的在于提供一種固體激光裝置，其體積小，成本低，穩(wěn)定性高，能夠?qū)崿F(xiàn)飛秒?yún)^(qū)域的CW模式同步。本發(fā)明的一種模式同步固體激光裝置的特征在于，包括輸出鏡，構(gòu)成諧振器的一端；可飽和吸收鏡，構(gòu)成所述諧振器的另一端；固體激光介質(zhì)，配置在所述諧振器內(nèi)的與所述可飽和吸收鏡的距離為瑞利長度的2倍以下的位置；激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)，從所述諧振器的外部向諧振器內(nèi)入射激發(fā)光；負(fù)群速度色散元件，配置在所述諧振器內(nèi)，所述負(fù)群速度色散元件使光在所述諧振器往復(fù)一次時的該諧振器整體的群速度色散在0以下；和分色鏡，配置在所述諧振器內(nèi)，所述分色鏡將由所述激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)從所述諧振器的外部向諧振器內(nèi)入射的所述激發(fā)光向所述固體激光介質(zhì)反射，并使振蕩光透射。其中，瑞利(Rayleigh)長度是利用ZR-7tco/^規(guī)定的值，在此是指振蕩光束半徑為光束腰(此時為O)A)的^倍的、距腰的光軸方向距離。并且，所述可飽和吸收鏡與固體激光介質(zhì)的距離為"瑞利長度的2倍以下"，包括兩者的距離為0的情況，即可飽和吸收鏡與固體激光介質(zhì)緊密接合的情況。另外，優(yōu)選在諧振器內(nèi)從所述輸出鏡側(cè)起按順序配置所述負(fù)群速度色散元件、所述分色鏡和所述固體激光介質(zhì)。此外，在本發(fā)明的模式同步固體激光裝置中，優(yōu)選作為固體激光介質(zhì)適用在母材中添加有稀土類的介質(zhì)。作為所述稀土類包括鐿(Yb)、鉺(Er)或釹(Nd)。進而，作為如上所述添加有稀土類的固體激光介質(zhì)的優(yōu)選例，包括Yb:YAG(Y3Al5012)、Yb:KYW(K(W04)2)、Yb:KGW(KGd(W04)2)、Yb:Y203、Yb:Sc203、Yb:Lu203、Er,Yb:玻璃、Nd:玻璃等。另外，在本發(fā)明的模式同步固體激光裝置中，優(yōu)選可飽和吸收鏡的吸收調(diào)制深度AR在0.4。/。以上，并且利用下述關(guān)系式表示的、預(yù)定波長的光在所述諧振器內(nèi)往復(fù)一次時的諧振器內(nèi)總色散量的絕對值lDl(其中D<0)，被設(shè)定在能夠通過所述可飽和吸收鏡抑制基本周期的孤子脈沖以外的動作方式的脈沖波段內(nèi)。數(shù)學(xué)式(4)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(其中，TP:脈寬，人0:中心波長，Aeff.L(=71L2):激光介質(zhì)中振蕩光束截面面積，n2:激光介質(zhì)的非線性折射率，Is:激光介質(zhì)的晶體長度，EP:諧振器內(nèi)部脈沖能量)在此，"孤子以外的動作方式"，指在諧振器中與孤子脈沖競爭而產(chǎn)生的雙脈沖或CW背景等競爭脈沖(參照圖2)。參照圖3和表1，簡單說明與孤子脈沖競爭而產(chǎn)生的競爭脈沖。所謂移位脈沖指與基本孤子脈沖相比脈沖波段、脈沖能量相等、但中心頻率產(chǎn)生S^hift量的移位。所謂cw背景指在時間區(qū)域中不以脈沖而以CW(連續(xù)波)動作的成分，在波譜上是狹窄線條寬度。所謂雙脈沖指具有基本孤子脈沖的1/2能量、1/2脈沖波段的兩個脈沖串。雖然均從基本孤子產(chǎn)生頻率移位，但在圖3中為了簡化說明，關(guān)于CW背景和雙脈沖將移位量表述為零。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>另外，移位脈沖是無法根據(jù)可飽和吸收鏡的吸收調(diào)制深度抑制的脈沖，在上述的"基本周期的孤子脈沖以外的動作方式"中不包括移位脈沖。諧振器內(nèi)總色散量D與脈寬(另外，脈寬與脈沖波段成反比例)的關(guān)系利用上述公式表示，設(shè)定在根據(jù)如下脈沖波段求出的范圍在被設(shè)定為0.4%以上的預(yù)定值的可飽和吸收鏡的吸收調(diào)制深度下，能夠抑制由空間燒孔效應(yīng)產(chǎn)生的競爭脈沖(雙脈沖和CW背景)。本發(fā)明人在實現(xiàn)模式同步固體激光裝置的小型化的過程中發(fā)現(xiàn)，通過將激光介質(zhì)和SESAM配置為瑞利長度以下，即使是激光介質(zhì)上沒有形成光束腰的結(jié)構(gòu)，也能夠產(chǎn)生孤子模式同步脈沖。此外，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)并明確了在構(gòu)成小型裝置的情況下，為了實現(xiàn)模式的穩(wěn)定性，需要對可飽和吸收鏡的吸收調(diào)制深度及諧振器內(nèi)總色散量實施預(yù)定的限制。作為本發(fā)明的優(yōu)選方式的可飽和吸收鏡的吸收調(diào)制深度AR及諧振器內(nèi)總色散量D的條件，是對模式同步的穩(wěn)定性進行仔細(xì)研究的結(jié)果后發(fā)現(xiàn)的，并且根據(jù)上述結(jié)論被首次提出。另外，本發(fā)明將產(chǎn)生空間燒孔效應(yīng)的系統(tǒng)作為對象，所以例如所述非專利文獻3公開的、激光介質(zhì)配置在諧振器的中央附近并可以忽略空間燒孔的裝置，不包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。另一方面，在本發(fā)明的模式同步固體激光裝置中，優(yōu)選諧振器構(gòu)成為直線型。此外，在本發(fā)明的模式同步固體激光裝置中，優(yōu)選諧振器模式腰直45(Cavitymodewaistdiameter)在lOOum以下。另夕卜，該"直徑"定義為，在與光的行進方向垂直的剖面的光束強度分布中，光強度為最大強度的1/^以上的區(qū)域。進而，作為上述的負(fù)群速度色散元件，適合使用包括棱鏡對、衍射格子對、負(fù)色散鏡中任一個或者兩個以上的組合的元件。此外，在本發(fā)明的模式同步固體激光裝置中，特別優(yōu)選作為負(fù)群速度色散元件適用透射型負(fù)群速度色散鏡，其兼?zhèn)錁?gòu)成諧振器的一端的輸出鏡的功能。進而，在本發(fā)明的模式同步固體激光裝置中，在固體激光介質(zhì)是Yb:KYW時，優(yōu)選諧振器內(nèi)總色散量D在-2500fsec2以上、小于0fsec2的范圍。另」方面，在固體激光介質(zhì)是Yb:KGW時，優(yōu)選諧振器內(nèi)總色散量D在-5750fseJ以上、小于0fse一的范圍。此外，在固體激光介質(zhì)是Yb:YAG時，優(yōu)選諧振器內(nèi)總色散量D在-1750fseJ以上、小于0fse—的范圍。此外，在固體激光介質(zhì)是Yb:￥203時，優(yōu)選諧振器內(nèi)總色散量D在-3250fsec2以上、小于0fsec2的范圍。此外，在固體激光介質(zhì)是Yb:LU203時，優(yōu)選諧振器內(nèi)總色散量D在-3000fsec2以上、小于0fsec2的范圍。此外，在固體激光介質(zhì)是Yb:SC203時，優(yōu)選諧振器內(nèi)總色散量D在-3000fsec2以上、小于0fsec2的范圍內(nèi)。進而，在固體激光介質(zhì)是Er，Yb:玻璃時，優(yōu)選諧振器內(nèi)總色散量D在-1200fsec2以上、小于0fsec2的范圍內(nèi)。此外，在本發(fā)明的模式同步固體激光裝置中，優(yōu)選諧振器長度在200mm以下，更優(yōu)選在100mm以下，最優(yōu)選在75mm以下，進一步優(yōu)選在50mm以下。本發(fā)明的模式同步固體激光裝置，包括諧振端由輸出鏡和SESAM構(gòu)成的諧振器，將激光介質(zhì)配置在距SESAM為瑞利長度的2倍以下的位置，由此能夠在激光介質(zhì)中實現(xiàn)振蕩光較小的光束截面面積，而不需在激光介質(zhì)中形成振蕩光的光束腰。即，與以往利用兩個凹面鏡包夾激光介質(zhì)來形成光束腰，進而在SESAM上形成光束腰相比，在本發(fā)明中，通過將激光介質(zhì)和SESAM配置得非常靠近(或者緊密接合)，不需要在諧振器內(nèi)形成多個光束腰，能夠?qū)崿F(xiàn)小型的裝置結(jié)構(gòu)。此外，由于通過插入諧振器內(nèi)的分色鏡將激發(fā)光導(dǎo)入激光介質(zhì)，所以以往需要圖17所示的復(fù)雜且大型的激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)，與此相比本發(fā)明能夠?qū)⒓ぐl(fā)光學(xué)系統(tǒng)大幅小型化，而且簡化結(jié)構(gòu)，進而做到低成本化。更加具體地說明現(xiàn)有裝置中激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)的問題。由于通過構(gòu)成諧振器的鏡子(在圖17中為曲率半徑20cm的凹面鏡)實施激發(fā)，所以激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)大且復(fù)雜，并且成本高?，F(xiàn)有裝置的具體的激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)如下。在將激發(fā)光聚光在固體激光介質(zhì)時，使激發(fā)用半導(dǎo)體激光器的slow軸(慢軸與發(fā)射器平行)方向的光束點大致以從1比1至1比2左右的倍率聚光的情況居多。此時，如圖17所示，在經(jīng)由諧振器凹面鏡將激發(fā)光輸入固體激光介質(zhì)的結(jié)構(gòu)中，凹面鏡和激光介質(zhì)的距離大致與激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)的后方焦點距離相當(dāng)。在利用一個透鏡系統(tǒng)實現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的情況下，在激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)的前側(cè)需要該距離的一半至大致相同的距離。作為凹面鏡多采用曲率半徑100mm200mm左右的凹面，凹面鏡與激光介質(zhì)的距離需要其一半即50mm至100mm。因此，從半導(dǎo)體激光器到激光介質(zhì)的距離需要75mm(凹面曲率半徑為100mm且以1:2成像)200(凹面曲率半徑為200mm且以1:1成像)。另外，一般不采用一個透鏡系統(tǒng)，而是如圖17所示組合多個透鏡來。由于激發(fā)半導(dǎo)體激光器的fast軸(快軸，與發(fā)射器垂直的方向)的發(fā)散角比較大，所以一般對fast軸的準(zhǔn)直器、聚光用的透鏡系統(tǒng)和slow軸用的準(zhǔn)直器、聚光用的透鏡系統(tǒng)進行組合。在該結(jié)構(gòu)中，最少需要fast軸準(zhǔn)直透鏡、slow軸準(zhǔn)直透鏡(根據(jù)情況需要slow軸的放大透鏡)、聚光透鏡合計34個透鏡。這樣，在通過諧振器反射鏡進行激發(fā)時，存在激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)的透鏡系統(tǒng)容易變大變復(fù)雜的問題。與此相比，在上述本發(fā)明中，在諧振器內(nèi)配置分色鏡，所以與以往相比能夠非?？拷嘏渲眉ぐl(fā)光源和激光介質(zhì)。即，能夠?qū)⒆鳛榧ぐl(fā)光學(xué)系統(tǒng)的透鏡的前側(cè)焦距、后側(cè)焦距均大幅減小。因此，例如作為激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)能夠采用使用了折射率分布型透鏡等的一個透鏡，并且能夠?qū)⒓ぐl(fā)光學(xué)系統(tǒng)簡化并小型化，所以能夠?qū)⒐腆w激光裝置整體小型化。作為裝置整體能夠大幅減少部件并小型化，所以能夠?qū)崿F(xiàn)低成本的結(jié)構(gòu)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)激光輸出的穩(wěn)定性。另一方面，在與以往相比將可飽和吸收鏡(SESAM)和激光介質(zhì)大幅靠近而配置時，顯著地引起空間燒孔效應(yīng)，并與模式同步緊密結(jié)合，給穩(wěn)定條件造成影響。另外，作為研究上述穩(wěn)定條件的文獻，已知有AppliedPhysicsBVol.72pp.267-278，2001(以下稱為參考文獻1)。但是，該文獻只對某個限定條件進行研究，沒有提出擴大模式同步的穩(wěn)定范圍的條件。規(guī)定可飽和吸收鏡的吸收調(diào)制深度AR和諧振器內(nèi)總色散量D的本發(fā)明的優(yōu)選方式，是對該模式同步的穩(wěn)定性進行仔細(xì)分析的結(jié)果，通過發(fā)現(xiàn)能夠擴大模式同步的穩(wěn)定范圍的條件而得到。以下具體說明這一點。在激光諧振器中，根據(jù)作為增益介質(zhì)的激光介質(zhì)在光軸上的位置，所謂空間燒孔效應(yīng)的產(chǎn)生方式出現(xiàn)差異，其與模式同步現(xiàn)象相結(jié)合，對模式同步的穩(wěn)定性造成影響，這一點可以從上述參考文獻1、文獻AppliedPhysicsBVol.61pp.429陽437，1995以及文獻AppliedPhysicsBVol.61pp.569-579，1995得知。在構(gòu)成諧振器的反射鏡面，產(chǎn)生存在于內(nèi)部的光波電場的相位跳越，存在電場強度為零的"節(jié)"。在將激光介質(zhì)配置在鏡附近時，在激光介質(zhì)中產(chǎn)生由該相位跳越導(dǎo)致的激光光波強度的空間條紋(Spatialstripe)。這就是空間燒孔。公知在該反射鏡附近配置激光介質(zhì)時、和在諧振器的中間周圍配置激光介質(zhì)時，模式同步動作產(chǎn)生以下差異。在文獻OpticsLettersvol.25no.11pp.859-861，2000中公開了以下內(nèi)容，在反射鏡和固體激光介質(zhì)緊密接合配置的LD激發(fā)薄盤Yb:YAG(Yb:Y3A15012)激光器中，僅能在700fsec附近的脈寬時得到穩(wěn)定的模式同步，在除此之外的脈寬時無法得到穩(wěn)定的CW模式同步。另一方面，公知在緩解了空間燒孔的系統(tǒng)(在物理上與反射鏡分離時等效)中，能夠?qū)崿F(xiàn)更加廣范圍的脈寬(90psec800fsec)(參照文獻OpticsLettersvol.26no.6pp.379-381，2001)。在參考文獻1中記載有在反射鏡附近配置激光介質(zhì)時，在增益波譜上產(chǎn)生凹陷，這會引起在內(nèi)部巡回的孤子脈沖的不穩(wěn)定性。更加具體地講，由于空間燒孔效應(yīng)在反射鏡附近表現(xiàn)得更強烈，由在激光介質(zhì)中產(chǎn)生的空間燒孔引起的增益的條紋圖案，波及到在激光諧振器中巡回的激光脈沖(在此由于是孤子脈沖，所以脈沖波段比較寬)的頻率區(qū)域的增益波譜的調(diào)制，這將導(dǎo)致優(yōu)先對與所期望的脈沖競爭的現(xiàn)象(移位脈沖、雙脈沖、CW背景)賦予增益。由此，使得所期望的孤子脈沖在競爭中失敗，產(chǎn)生上述不希望的脈沖現(xiàn)象，并導(dǎo)致不穩(wěn)定。在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，將發(fā)揮反射鏡作用的可飽和吸收鏡與固體激光介質(zhì)靠近(或者緊密接合)配置，所以該空間燒孔效應(yīng)表現(xiàn)得比較強烈，會使得孤子脈沖明顯不穩(wěn)定。在上述參考文獻1中，僅對LD激發(fā)Yb:YAG激光器中的1030nm振蕩的700fsec脈沖動作進行了研究，而且僅研究了輸出功率為數(shù)十瓦的高輸出區(qū)域的動作。對能夠期待100200fsec的短脈沖的其他變化、例如Yb:YAG的1050nm振蕩、Yb:KYW(Yb:KY(W04)2)晶體、Yb:KGW(Yb:KGd(W04)2)晶體、Yb:Y203、Yb:Sc203、Yb:LU203和Er，Yb:玻璃、Nd:玻璃等的模式同步穩(wěn)定條件，沒有進行任何研究。然而本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過將可飽和吸收鏡的吸收調(diào)制深度設(shè)為0.4%以上，將滿足上述公式的諧振器內(nèi)總色散量lDl設(shè)為能夠由該可飽和吸收鏡抑制競爭脈沖的脈沖波段的預(yù)定值，可以進行穩(wěn)定的孤子模式振蕩。并且明確了作為f振器內(nèi)色散量D根據(jù)情況需要-數(shù)千fsec2左右。以往不知道將上述諧振器內(nèi)總色散量D和吸收深度AR各自設(shè)為何值比較好，難以穩(wěn)定地得到CW模式同步，但通過滿足本發(fā)明的優(yōu)選方式的上述條件，能夠容易地實現(xiàn)可以穩(wěn)定地進行孤子模式振蕩的模式同步固體激光裝置。圖1是表示本發(fā)明的一個實施方式的模式同步固體激光裝置的簡要側(cè)視圖。圖2是說明模式同步固體激光裝置的脈沖競爭現(xiàn)象的圖。圖3是表示模式同步激光裝置的脈沖波段與增益優(yōu)先度的關(guān)系的一例的坐標(biāo)圖。圖4是表示脈沖波段與所需的色散量的關(guān)系的坐標(biāo)圖。圖5是表示模式同步激光裝置的脈沖波段與增益優(yōu)先度的關(guān)系的一例的坐標(biāo)圖。圖6是表示本發(fā)明的其他實施方式的模式同步固體激光裝置的簡要側(cè)視圖。圖7是表示本發(fā)明的其他實施方式的模式同步固體激光裝置的簡要側(cè)視圖。圖8是表示本發(fā)明的其他實施方式的模式同步固體激光裝置的簡要側(cè)視圖。圖9是表示本發(fā)明的其他實施方式的模式同步固體激光裝置的簡要側(cè)視圖。圖10是表示本發(fā)明的其他實施方式的模式同步固體激光裝置的簡要側(cè)視圖。圖11是表示模式同步激光裝置的脈沖波段與增益優(yōu)先度的關(guān)系的一例的坐標(biāo)圖。圖12是表示模式同步激光裝置的脈沖波段與增益優(yōu)先度的關(guān)系的一例的坐標(biāo)圖。-圖13是表示模式同步激光裝置的脈沖波段與增益優(yōu)先度的關(guān)系的一例的坐標(biāo)圖。圖14是表示模式同步激光裝置的脈沖波段與增益優(yōu)先度的關(guān)系的一例的坐標(biāo)圖。圖15是表示本發(fā)明的其他實施方式的模式同步固體激光裝置的簡要側(cè)視圖。圖16是表示模式同步激光裝置的脈沖波段與增益優(yōu)先度的關(guān)系的一例的坐標(biāo)圖。圖17是表示現(xiàn)有的模式同步固體激光裝置的一例的簡要俯視圖。具體實施方式以下，參照本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。圖l是表示本發(fā)明的一個實施方式的孤子(Solitkm)型模式同步固體激光裝置的簡要側(cè)視圖。如該圖1所示，該模式同步固體激光裝置包括半導(dǎo)體激光器ll，產(chǎn)生激發(fā)光(抽運光，Pumpinglight)10;激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)12，向諧振器內(nèi)輸入激發(fā)光10;分色鏡13，配置在諧振器內(nèi)，使由該激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)12從諧振器外部相對諧振器光軸傾斜入射的激發(fā)光10朝向固體激光介質(zhì)15反射，并且透射在諧振器內(nèi)諧振的振蕩光18;凹面輸出鏡14，構(gòu)成諧振器的一側(cè)終端；SESAM(半導(dǎo)體可飽和吸收鏡)16，構(gòu)成諧振器的另一側(cè)終端；固體激光介質(zhì)15，配置在包括該SESAM16和輸出鏡14的諧振器內(nèi)部；和負(fù)色散元件17，同樣配置在諧振器內(nèi)。在本實施方式中，作為固體激光介質(zhì)15的一例，使用Yb:KYW晶體。作為半導(dǎo)體激光器11，使用發(fā)出激發(fā)上述固體激光介質(zhì)15的波長980nm的激發(fā)光10的激光器。此外，作為分色鏡13，使用具有使波長980nm的激發(fā)光10反射、使波長1045nm的固體激光振蕩光18透射的特性的分色鏡。此外，作為負(fù)色散元件17，適用包括所述棱鏡對、衍射格子對、負(fù)色散鏡中任一個或者兩個以上的組合的元件。并且，上述固體激光介質(zhì)15和SESAM16，以由在SESAM16形成的諧振器模式半徑(-振蕩光的光束半徑)確定的瑞利長度的2倍以下的距離d靠近配置。在以上結(jié)構(gòu)中，從半導(dǎo)體激光器11輸出、并由激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)12相對諧振器光軸傾斜入射的激發(fā)光10，由分色鏡13反射后輸入固體激光介質(zhì)15，從而固體激光介質(zhì)15被激發(fā)，由此產(chǎn)生的波長1045rnn的光通過諧振器的作用而振蕩。激光振蕩光18的一部分透射輸出鏡14并作為輸出光18a被取出到外部。在該結(jié)構(gòu)的裝置中，在諧振器內(nèi)諧振的激光振蕩光18的光束腰僅在SESAM16上形成。在此，由激光諧振器內(nèi)的負(fù)色散元件17的作用引起的負(fù)的群速度色散、與主要在固體激光介質(zhì)15的自身相位調(diào)制進行結(jié)合，得到飛秒?yún)^(qū)域的脈沖振蕩光18a。更加具體地講，由SESAM16起動模式同步而使脈沖保持穩(wěn)定，并且經(jīng)由孤子脈沖的形成，引起模式同步脈沖的陡峭化，可以產(chǎn)生飛秒量級的穩(wěn)定的孤子脈沖，上述孤子脈沖的形成由群速度色散與自身相位調(diào)制平衡而引起。在此，說明瑞利長度的2倍這一條件。該條件是本發(fā)明人研究用于在固體激光裝置中產(chǎn)生孤子模式同步并獲得連續(xù)脈沖振蕩的上述公式(1)和公式(2)而得到的條件。若固體激光介質(zhì)中的振蕩光的光束半徑過大，并且振蕩閾值和CW模式同步閾值過大，則產(chǎn)生不能引起激光振蕩或者未達到模式同步而不能實現(xiàn)脈沖振蕩的問題，但是若固體激光介質(zhì)被配置在自振蕩光的光束腰相距瑞利長度的2倍以下的位置，則可以獲得孤子型的模式同步。在將固體激光介質(zhì)15和SESAM16分離瑞利長度的2倍左右時，在固體激光介質(zhì)15的點尺寸(振蕩光束半徑)col將擴大為在振蕩光束腰coa的振蕩光束半徑的2.2倍。因此，根據(jù)上述公式(1)，與振蕩光束腰到達固體激光介質(zhì)15的結(jié)構(gòu)相比，激光振蕩閾值上升到4.8倍。但是，若在光束腰的光束半徑c0a二25nm左右，則振蕩光束半徑c0l二2.2X25pm，可以使振蕩閾值為100mW以下。另外，此時的瑞利長度為1.9mm，所以2倍是3.8mm。若能夠使振蕩閾值為100mW以下，則能夠以足夠高的效率振蕩。另一方面，根據(jù)上述公式(2)可知，與振蕩光束腰到達固體激光介質(zhì)15的結(jié)構(gòu)相比，CW模式同步閾值從2.36nJ增大約2.5倍左右成為5.93nJ(其中，作為SESAM16的特性參數(shù)，AR=0.9%，F(xiàn)sat,A=9C^J/cm2)。但是，關(guān)于這種程度的增大，若能夠?qū)⒄袷庨撝狄种茷?00mW以下，則可以確保足夠的振蕩輸出，可以沒有問題地實現(xiàn)CW模式同步。在本裝置中，激發(fā)光IO從與諧振器光軸相交的方向輸入諧振器，由在諧振器內(nèi)的諧振器光軸上配置的分色鏡13反射后被導(dǎo)入固體激光介質(zhì)。該分色鏡13以高反射(例如反射率>85%)對激發(fā)光進行反射，并且不反射(例如反射率<0.5%)激光振蕩光而使其透射。因此，可以將伴隨插入而形成的激光振蕩效率的下降抑制到最小限度，并且具有與現(xiàn)有的光學(xué)系統(tǒng)相比可以將激發(fā)光源靠近固體激光介質(zhì)的優(yōu)點。另外，優(yōu)選該分色鏡以45度入射或者以布萊斯特角入射?？梢詫Ψ稚R實施與激發(fā)光的入射角度對應(yīng)的涂覆設(shè)計。另外，由于具有分色鏡，所以能夠?qū)⒓ぐl(fā)光學(xué)系統(tǒng)作成折射率分布透鏡(GRIN透鏡=GradedIndex透鏡，漸變折射率透鏡)等一個透鏡的光學(xué)系統(tǒng)。其理由在于可以縮短固體激光介質(zhì)和激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)透鏡的距離。實際上在構(gòu)成l:2的成像系統(tǒng)時，例如在使用節(jié)距(Pitch)0.23、實效焦點距離1.94mm的GRIN透鏡(Thorlabs公司制造，透鏡長度4.42mm，透鏡直徑1.8mm)時，即使將從光源到透鏡(前側(cè)主點)的距離dl-2/3f二1.3mm、從透鏡(后側(cè)主點)到固體激光介質(zhì)的距離d2=2Xdl=2.6mm、以及透鏡自身的長度相加；也大約為1.3+2.6+4.4=8.3mm，可以配置得非常小。在實現(xiàn)1:2的光學(xué)倍率時，如上所述，若采取如圖17所示現(xiàn)有裝置經(jīng)由凹面輸出鏡入射激發(fā)光的結(jié)構(gòu)，則相應(yīng)地需要75mm200mm的長度。因此，可以說在本發(fā)明中實現(xiàn)了非常小的激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)。這樣，通過以瑞利長度以下的距離配置固體激光介質(zhì)和SESAM，可以滿足公式(1)和公式(2)，而且可以實現(xiàn)模式同步固體激光裝置的小型化。g卩，通過以上述距離配置固體激光介質(zhì)和SESAM，可以構(gòu)成能夠振蕩孤子脈沖的小型固體激光裝置。但是，如上所述，在使固體激光介質(zhì)和SESAM(反射鏡)靠近的情況下，產(chǎn)生空間燒孔，并由該空間燒孔產(chǎn)生競爭過程(Competitiveprocess)，所以即使產(chǎn)生孤子'脈沖，也存在因競爭脈沖而紊亂的問題。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)通過將SESAM的吸收調(diào)制深度AR和諧振器內(nèi)總色散量D設(shè)定在預(yù)定范圍，可以抑制因該空間燒孔而產(chǎn)生的競爭脈沖，并實現(xiàn)穩(wěn)定的孤子脈沖動作。圖3表示對Yb:KYW晶體進行數(shù)值計算得到的、因空間燒孔而產(chǎn)生的競爭脈沖的增益優(yōu)先度(Gainadvantage)AG對孤子脈沖的波譜波段寬度A入P(利用波長波段表示)的依存性。該增益優(yōu)先度AG是由本發(fā)明人將參照文獻1中記載的公式適用于圖1所示結(jié)構(gòu)的模式同步固體激光裝置而求出的。圖3的橫軸為進行激光振蕩的孤子脈沖的波譜波段A入p。此外，在此作為基本周期孤子脈沖的增益G，假設(shè)G=0.04(雖然該值取決于激發(fā)光的功率、點系統(tǒng)(Spotdiameter)、裝置結(jié)構(gòu)，但設(shè)定為實際裝置結(jié)構(gòu)的值)。另外，增益優(yōu)先度表示各競爭過程(移位脈沖、CW(Continuouswave，連續(xù)波)背景、雙脈沖)與孤子脈沖的增益之差。根據(jù)圖3可知，上述競爭過程始終具有比孤子脈沖略高的增益。為了獲得所期望的基本孤子的CW模式同步，需要抑制上述競爭脈沖。'SESAM16具有與脈沖能量Ep對應(yīng)的非線性反射特性(例如參照非專利文獻3)，在上述競爭過程中具有抑制CW背景和雙脈沖的效果。更加具體地講，為了抑制CW背景，只要是調(diào)制深度AR的一半、即AR/2以下的增益優(yōu)先度AG，即可以抑制。另一方面，只要AG在AR/S(其中，S=EP/(Fsat.a'Feff，A):SESAM飽和度)以下，即可以抑制雙脈沖。艮P，在圖3中，在滿足AG(CW)《AR/2、而且AG(DP)《AR/S的脈沖波段中，可以抑制CW背景和雙脈沖。另一方面，無法在SESAM16抑制移位脈沖。這是因為，該移位脈沖的成分在原來的基本孤子脈沖和脈寬、脈沖波段、能量中相同，在頻率軸上移位(參照上述表1和圖2)，所以對SESAM16賦予相同飽和度，無法分辨。因此，在移位脈沖的增益優(yōu)先度AG(SP)為大致0的范圍、而且滿足AG(CW)《AR/2且AG(DP)《AR/S的脈沖波段中，穩(wěn)定地產(chǎn)生孤子模式。另外，由于無法在SESAM抑制移位脈沖，所以利用移位脈沖限制能夠穩(wěn)定地產(chǎn)生孤子模式的脈沖波段的下限的情況居多。另一方面，脈寬Tp與諧振器內(nèi)色散量D的絕對值lDl存在如下比例關(guān)系(參照非專利文獻3)。tp=--數(shù)學(xué)式(5)4;cn2lsEP(3)考慮到上述情況，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，成為孤子模式穩(wěn)定區(qū)域的脈沖波段存在限制，等效于諧振器內(nèi)總色散量D存在限制，為了抑制空間燒孔而產(chǎn)生穩(wěn)定的孤子模式，需要根據(jù)SESAM的吸收深度將諧振器內(nèi)總色散量D設(shè)定為合適范圍的值。圖4表示根據(jù)公式(3)求出的諧振器內(nèi)總色散量對脈沖波段的依存性(脈寬和脈沖波段具有反比例關(guān)系)。根據(jù)上述關(guān)系，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)將可飽和吸收鏡設(shè)置成具有使雙脈沖相對于諧振器中的基本孤子脈沖的增益優(yōu)先度G(DP)、和CW背景相對于基本孤子脈沖的增益優(yōu)先度G(CW)滿足△G(CW)《AR/2、而且AG(DP)《AR/S......(A)的吸收調(diào)制深度AR和飽和度S，并且將預(yù)定波長的光在諧振器內(nèi)往復(fù)一次時諧振器內(nèi)總色散量的絕對值lDl(其中D〈0)，設(shè)為與滿足式(A)且滿足移位脈沖相對于基本孤子脈沖的增益優(yōu)先度G(SP)"O的脈沖波段的范圍對應(yīng)的值，由此可以穩(wěn)定地產(chǎn)生孤子脈沖。以下利用具體數(shù)值進行研究。'在一般的模式同步固體激光裝置中，設(shè)計為SESAM飽和度S-35左右，在本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)中也假設(shè)該范圍的值，尤其在以下說明中采用S=4。參照圖3，雙脈沖的增益優(yōu)先度的最小值為AG二0.05n/。，所以為了抑制該雙脈沖，在S-4時，作為吸收調(diào)制深度的最低線，需要ARmin》AG"S=0.2%。通常制造的SESAM的調(diào)制深度AR的最小值為0.3%左右，通常在沒有空間燒孔的系統(tǒng)中，厶11=0.3%2%左右適合于模式同步。但是，例如在AR二0.3。/。、S二4時，為了抑制CW背景，脈沖波段被限制為A=0.15%，只能穩(wěn)定地存在4nm7nm的脈沖波段。此外，根據(jù)雙脈沖條件，AR/S=0.075%，成為4.5nm6.0nm，脈沖只能在該范圍穩(wěn)定。此外，根據(jù)移位脈沖條件，只能在4nm以上存在(如圖3所示，因為移位脈沖的增益優(yōu)先度在4rnn以上時大致為0)。若獲取這些條件的積集合，其結(jié)果雙脈沖條件最嚴(yán)格，僅允許脈沖波段4.56.0mn的脈沖。這作為傅立葉變換界限的脈沖，成為僅允許從254fsec到191fsec(波長入。二1045nm)的脈寬(中心223fsec土14%)的被極端限定的范圍。為了確保具有某種程度余量的脈沖波段，需要在上述最低線ARmin二0.2。/。的2倍以上，實際的SESAM的吸收調(diào)制深度為AR》0.4%。通過將AR設(shè)為0.4%以上，可以擴大脈沖波段。例如，在AR-0.8。/。、S=4時，可能的脈沖波段是Aip-4nm8nm，與其對應(yīng)的脈寬是Tp-287143fsec。在厶11=1.4%時，可以將脈沖波段擴大到4nmllnm，可以生成脈寬287104fsec的脈沖。這樣，在將SESAM的吸收調(diào)制深度設(shè)為0.4%以上的預(yù)定值時，根據(jù)該AR能夠抑制雙脈沖和CW背景的脈沖波段(脈寬)存在限制。另外，假設(shè)作為激發(fā)光源的半導(dǎo)體激光器的發(fā)射器寬度為10(Him、輸出功率為3W級，在諧振器長度設(shè)為50mm、傳輸效率為85%、吸收效率為90%、光轉(zhuǎn)換效率為30%、輸出耦合T。c二l。/。時，脈沖能量大致為EP=23nJ。這大致是在本發(fā)明中推測的最大脈沖能量(另外，在圖1所示作為本發(fā)明的對象的小型裝置中，理論上不能實現(xiàn)該值以上的脈沖能量)。在上述情況下，參照圖3，為了生成104fsec脈沖(與脈沖波段llnm相當(dāng))，需要950fse一的負(fù)的色散量。在穩(wěn)定范圍的下限4nm(基于移位脈沖的限制)，可以設(shè)為2500fse—左右的負(fù)色散量。另外，諧振器內(nèi)總色散量D又是脈沖能量Ep的函數(shù)，所以在脈沖能量較大時，需要更大的色散量，因此作為在本發(fā)明中假設(shè)的裝置，這是諧振器內(nèi)總色散量的絕對值上限。關(guān)于絕對值下限，若脈沖能量減小，則也需要相應(yīng)地減小諧振器內(nèi)總色散量，根據(jù)圖4可知，由于存在諧振器內(nèi)總色散量大致為零的情況，所以絕對值下限設(shè)為超過0。.艮口，在圖l所示結(jié)構(gòu)的模式同步固體激光裝置中，在采用Yb:^YW作為固體激光介質(zhì)，并且吸收調(diào)制深度AR》0.4y。時，諧振器內(nèi)總色散量D需要在-2500fse^以上且小于0的范圍。根據(jù)裝置結(jié)構(gòu)，對總色散量D的范圍有進一步限制。例如，在上述例子中AR二0.8。/。、S=4、EP二20nJ時，諧振器內(nèi)總色散量D需要在-2500fsec2以上且-1400fsec2以下，此外在AR二1.4。/。、S=4、Ep二20nJ時，諧振器內(nèi)總色散量D需要在-2500fsec2以上且-1000fsec2以下。該條件受到激光動作條件的影響，但是不需要大幅變動。其理由如下所述。如圖4所示，首先在脈沖能量Ep較低時，由于所需色散量的絕對值較小，所以可以在上述范圍。進而，在脈沖能量增大時，需要絕對值比-2500fse^大的負(fù)色散，但最多在2倍左右。這是因為，脈沖能量增大為2倍以上是將諧振器長度延長為2倍以上而減少重復(fù)、或者光轉(zhuǎn)換效率提高為2倍以上的情況，但是無論何種情況都在本發(fā)明的假設(shè)范圍之外。此外，圖5表示增益較大時(激發(fā)功率較大時)G二0.10時的競爭脈沖的增益優(yōu)先度AG。如圖5所示，在增益增大時基本孤子脈沖的穩(wěn)定范圍變狹小，所以色散量的范圍取上述范圍已足夠。另外，在此作為穩(wěn)定條件，利用絕對值規(guī)定最大色散量(即最大脈寬)，但在現(xiàn)實中優(yōu)選在激光器的應(yīng)用上獲得更短的脈寬。進而，在具體組裝裝置時，需要考慮到在穩(wěn)定/不穩(wěn)定的邊界區(qū)域附近動作容易不穩(wěn)定。因此，優(yōu)選具有1/5左右的色散量余量，例如在AR二0.8。/。、S=4、EP=20nJ時，設(shè)為諧振器內(nèi)總色散量D在-2000fsec2以上且-1700fse(^以下，從而可以實現(xiàn)更加穩(wěn)定的CW模式同步動作。進而，市場銷售的色散鏡的最大色散量的絕對值在1200fsec^左右，若利用該一個色散鏡實施色散，則需要優(yōu)選將AR設(shè)定為在絕對值1200fse^以下達到穩(wěn)定的條件。這在下述其他激光材料也相同。另外，在將色散量的絕對值設(shè)為超過1200fse時，例如后述圖6和圖7所示，可以設(shè)置多個色散鏡來實現(xiàn)。在上述實施方式中，固體激光介質(zhì)15由Yb:KYW構(gòu)成，但關(guān)于競爭脈沖相對基本周期孤子脈沖的增益優(yōu)先度，在Yb:KGW晶體的情況下也能夠獲得與圖3和圖5相同的計算結(jié)果。這是因為，Yb:KYW與Yb:KGW的熒光波段寬度、受激發(fā)射截面面積、吸收截面面積等各物理性質(zhì)常數(shù)大致相同。但有一點不同之處是非線性折射率112的值，Yb:KGW(n2=20X10-20m2/W)是Yb:KYW(n2=8.7Xl{T20m2/W)的2.3倍的值。因此，需要諧振器內(nèi)總色散量D的絕對值為采用Yb:KYW時的2.3倍，在固體激光介質(zhì)是Yb:KGW時，優(yōu)選諧振器內(nèi)總色散量D在-5750fsec2以上且小于0fsec2的范圍。另外，在圖1的結(jié)構(gòu)中，諧振器長度為50mm，但在構(gòu)成圖1所示的直線型諧振器時，若諧振器長度在200mm以下，則可以實現(xiàn)模式同步的穩(wěn)定性和激光諧振器的穩(wěn)定性這兩方面。如上所述，通過延長諧振器長度，脈沖重復(fù)下降，脈沖能量增大，所以能夠容易超過CW模式同步閾值。即，認(rèn)為若僅考慮與CW模式同步相關(guān)的公式(2)，則脈沖能量越大越理想，而且諧振器長度越長越理想。另一方面，從激光輸出由于機械振動而不穩(wěn)定的觀點考慮，諧振器長度不能無限制地延長。一般，認(rèn)為200mm左右是諧振器長度的機械限度。這一點通過以下分析得出。一般而言，在諧振器長度為lm左右的模式同步固體激光裝置中，由于機械性振動/偏移、因受熱造成的機構(gòu)部件的位置變動、因剛性造成的撓曲等導(dǎo)致的光學(xué)偏差，導(dǎo)致激光特性的惡化、不穩(wěn)定。公知諧振器的校準(zhǔn)允許度(Alignmentallowance)與諧振器長度成反比例，是鏡子曲率的函數(shù)。并且公知lm級的裝置中的校準(zhǔn)允許度為50100|_irad左右(參考文獻N.HodgsonandH.Weber,OpticalResonatorsp.219，Springer)。因此，若諧振器長度在200mm以下，則可以將允許度設(shè)為5倍即250500prad以上。雖然鏡子的機械變動不能全部定量化，但在普通萬向接頭中為50prad(8'C的溫度變動，Newport公司目錄)，在lm級諧振器中產(chǎn)生與允許度相同程度的鏡子變動，但若諧振器長度在200mm以下，則變動為允許度的1/5左右，輸出變動在可以忽略的水平。這樣，不僅模式同步的穩(wěn)定性，也考慮激光諧振器的穩(wěn)定性，作為兩方面均可以實現(xiàn)的范圍，優(yōu)選諧振器長度為200mm以下。下面，進一步說明激光諧振器的結(jié)構(gòu)。作為圖1所示的負(fù)色散元件17，具體地講可以使用圖6的實施方式所示的由棱鏡20'、21構(gòu)成的棱鏡對，也可以使用圖7的實施方式所示的由負(fù)色散鏡30、31構(gòu)成的負(fù)色散鏡對。只要能夠體現(xiàn)出負(fù)色散，則并不限于此，也可以使用負(fù)色散纖維(Negativedispersionfiber)及衍射格子對。例如，在使用由SF10玻璃構(gòu)成的棱鏡對時，可以將諧振器長度設(shè)為40cm以下。這是因為，在將后述合適的負(fù)色散量設(shè)為-2500fse^時，可以將棱鏡間隔設(shè)為30cm左右(參照上述非專利文獻3)。關(guān)于負(fù)色散鏡，公知涂覆有進入深度根據(jù)每個波長而不同的電介質(zhì)多層膜的啁啾鏡(參照文獻激光研究第27巻第11號第744-749頁)、采用所謂標(biāo)準(zhǔn)干涉儀(Etaloninterferometer)的GTI(Gires-TournoisInterferometer)鏡(參,照文獻IEEETransactiononQuantuinElectronics,vol.22,no.l(1986)pp.182-185)等。后者可以利用市場銷售的反射鏡實現(xiàn)每面反射-1000fse^左右，在使用兩個時，可以實現(xiàn)往復(fù)-4000fsec2的負(fù)色散量。但是，在本發(fā)明中負(fù)色散量規(guī)定為考慮到諧振器內(nèi)的正色散(激光介質(zhì)和普通鏡子、SESAM)的貢獻的真正的往復(fù)量。為了實現(xiàn)短諧振器化，優(yōu)選使用后者的負(fù)色散鏡。此時，諧振器長度可以降低到50mm甚至更低。此時，也可以如圖8所示的實施方式，對輸出鏡14的鏡面實施透射型負(fù)色散涂覆17A，由此使輸出鏡14兼作負(fù)色散鏡17'。并且，在前者的情況下，作為負(fù)色散鏡，可以使用反射率99.8%左右的啁啾鏡。此外，優(yōu)選諧振器結(jié)構(gòu)為直線型，但并不限于此，只要SESAM16和固體激光介質(zhì)15靠近，則可以采用任何結(jié)構(gòu)。例如圖9、圖IO所示，可以采用L字型、V字型的諧振器結(jié)構(gòu)。這樣，可以實現(xiàn)各種幾何學(xué)設(shè)計。另外，在圖9中40表示反射振蕩光18的平面鏡，在圖10中50表示反射振蕩光18的凹面鏡，51表示輸出鏡。另外，在L、V字型結(jié)構(gòu)的裝置中，只要諧振器長度在200mm以下，則與直線型同樣可以實現(xiàn)模式同步的穩(wěn)定性和激光諧振器的穩(wěn)定性這兩方面，所以是優(yōu)選結(jié)構(gòu)。另外，圖11表示關(guān)于作為具有代表性的短脈沖材料的Yb:YAG晶體的1050nm振蕩，對競爭脈沖相對基本孤子脈沖的增益優(yōu)先度進行計算的結(jié)果。在此，作為基本周期孤子脈沖的增益G，設(shè)定G^0.07。此時也判明在S=4時，通過設(shè)定AR》0.4。/。，可以獲得穩(wěn)定地產(chǎn)生孤子脈沖的波段。例如，通過設(shè)定AR-0.8。/。，可以在波段24nm抑制雙脈沖、CW背景。另外，通過增大AR，可以在更大的脈沖波段使孤子脈沖穩(wěn)定振蕩。在實際應(yīng)用中優(yōu)選實現(xiàn)300fsec以下的短脈寬的孤子模式同步，因此優(yōu)選脈沖波段大于4mn(與脈寬287fsec相當(dāng))。因此，在使用Yb:YAG時，優(yōu)選設(shè)為AR》0.8。/。以上。由于Yb:YAG的情況下是Yb:KYW的大約70%的非線性折射率.(n2=6.2X10—2Qm2/W)，所以諧振器內(nèi)總色散量的最大色散量(絕對值)也是Yb:KYW的最大色散量(絕對值)的70%，在-1750fsec2以上且小于0fsec2。作為固體激光介質(zhì)，一般釆用單晶，但近年來也利用石榴石(Gamet)類材料等(YAG)進行陶瓷狀態(tài)下的激光介質(zhì)的制造，在本發(fā)明中也可以使用這種固體激光介質(zhì)。陶瓷與單晶相比具有相同或更好的光學(xué)特性，同時可以實現(xiàn)大型化，有望降低成本。除石榴石之外，被稱為C稀土類的一組材料也可以陶瓷化，Yb:Y203、Yb:Sc203、Yb:Lu203等與此相當(dāng)(參照文獻OpticsExpress,vol.11no.22(2003)pp.2911-2916)。此外，玻璃等從本質(zhì)上講可以實現(xiàn)大型化而且成本低的材料，也作為激光介質(zhì)而使用。在摻雜Yb的玻璃以及Er、Yb共摻玻璃(參照文獻:OpticsLetters,vol.30no,3(2005)pp.263-265)中，制造了利用玻璃原本具有的寬波段發(fā)光的裝置。本發(fā)明對以上情況也有效。下面，圖12表示關(guān)于Yb:￥203的競爭脈沖相對基本孤子脈沖的增益優(yōu)先度的計算結(jié)果。在此，作為基本周期孤子脈沖的增益G，設(shè)定G=0.06。此時也判明在S=4時，通過設(shè)定AR》0.4。/。，可以獲得穩(wěn)定地產(chǎn)生孤子脈沖的波段。例如，通過設(shè)定AR^0.8。/。、S=4，可以在脈沖波段46nm抑制雙脈沖、CW背景。這樣，在AR^0.4。/。時，可以抑制雙脈沖、CW背景的脈沖波段非常狹小，僅在4nm附近，但通過設(shè)定AR》0.8%以上，可以在更廣的脈沖波段抑制競爭脈沖。此外，由于Yb:Y203的情況下是Yb:KYW的大約1.3倍的非線性折射率(n2=1.16X10"9m2/W)，所以相應(yīng)地總色散量D的絕對值也是1.3倍。因此，關(guān)于Yb:Y203的諧振器內(nèi)總色散量D的優(yōu)選范圍是-3250fsec2以上且小于0。另外，對于具有相同晶體結(jié)構(gòu)的Yb:LU203、Yb:SC203也進行相同計算。下面，圖14表示對Yb:LU203計算的結(jié)果。在此，作為基本周期孤子脈沖的增益G，設(shè)定G-0.05。此時也判明在S二4時，通過設(shè)定△R》0.4%，可以獲得穩(wěn)定地產(chǎn)生孤子脈沖的波段，進而通過增大AR，可以擴大其波段。此外，由于Yb:Lll203的情況下是Yb:KYW的大約1.2倍的非線性折射率(n2=1.0X10—19m2/W)，所以相應(yīng)地諧振器內(nèi)總色散量D的絕對值也是1.2倍。因此，關(guān)于Yb:1^1203的諧振器內(nèi)總色散量D的優(yōu)選范圍是-3000fse一以上且小于0。另外，關(guān)于具有與Yb:Lu203相同的晶體結(jié)構(gòu)、而且具有大致相同的非線性折射率的Yb:Sc203，設(shè)定與Yb:LU203相同的條件。下面，圖14表示采用Er、Yb共摻磷酸玻璃時、競爭脈沖相對基本孤子脈沖的增益優(yōu)先度的計算結(jié)果。在此，作為基本周期孤子脈沖的增益G，設(shè)定G二0.02。在Er、Yb共摻磷酸玻璃中，利用Yb離子吸收激發(fā)光，經(jīng)過能量轉(zhuǎn)移，向Er離子轉(zhuǎn)移能量。另外，通過使用磷酸玻璃的聲子能較大的介質(zhì)，可以快速從激發(fā)能級、m向上限激光能級、3/2過渡。由此，能夠以高效率形成反轉(zhuǎn)分布。此時，振蕩光波長為1550nm左右，激發(fā)光波長為980nm。如圖15所示，在使用Er、Yb共摻磷酸玻璃作為激光介質(zhì)時，不僅可以直接取出波長1550nm1600nm的振蕩光18，而且也可以使振蕩光18經(jīng)由非線性光學(xué)晶體60產(chǎn)生二次諧波61。此時，可以將振蕩光轉(zhuǎn)換到波長780nm800nm的波段。這樣，現(xiàn)有的800nm附近的固體激光器需要鈦藍(lán)寶石等過渡金屬晶體，而且作為激發(fā)光源需要532nm綠色激光，此時可以實現(xiàn)紅外波長波段的半導(dǎo)體激光激發(fā)，并具有可以使用本質(zhì)上高效的稀土類過渡的優(yōu)點。在Er、Yb共摻磷酸玻璃的情況下，在2nm的脈沖波段中，移位脈沖大致為0。從實際應(yīng)用上優(yōu)選實現(xiàn)600fsec以下的短脈寬的孤子模式同步，因此作為脈沖波段優(yōu)選大于4nm(脈寬600fsec相當(dāng))。并且，由于Er、Yb共摻磷酸玻璃的非線性折射率比較小(n2=3X10—2Qm2/W)，所以能夠減小色散值，諧振器內(nèi)總色散量的優(yōu)選范圍是-1200fsec2以上且小于0fsec2。另外，可以認(rèn)為Nd摻雜的激光玻璃材料也相同。例如，圖16表示在Nd摻雜的磷酸類激光玻璃中，計算競爭脈沖相對基本孤子脈沖的增益優(yōu)先度的結(jié)果。此時，根據(jù)與上述相同的分析，優(yōu)選脈沖波段在4nm以上。ANd:磷酸玻璃的非線性折射率為ti2二2.8X10^m"W是Yb:KYW的1/3，所以色散量D也是1/3,諧振器內(nèi)總色散量的優(yōu)選范圍是-800fsec2以上且小于0fsec2。另外，在上述說明中，作為優(yōu)選方式具體說明了可以產(chǎn)生孤子模式同步的條件，但在對色散量D不施加上述限制的情況下，在本發(fā)明的模式同步固體激光裝置中，有可能不產(chǎn)生基本模式同步激光，成為上述的雙脈沖及Q開關(guān)。另一方面，也存在期望雙脈沖及Q開關(guān)的應(yīng)用情況。例如提出了以下研究報告，在納秒?yún)^(qū)域中，在采用激光對金屬等加工時，在第1個脈沖到達加工對象并產(chǎn)生激光燒蝕后，第2個脈沖到來并加熱由激光燒蝕生成的等離子，從而提高激光加工的效率，可以將雙脈沖利用到上述應(yīng)用中。并且，Q開關(guān)脈沖激光器結(jié)合了模式同步具有的高峰值功率和Q開關(guān)脈沖具有的高能量，可以用作適合于激光加工的結(jié)構(gòu)。具體地講，在上述結(jié)構(gòu)的固體激光裝置中，在極度增大(-3000fsec2-5000fsec2)負(fù)色散量的情況下，Q開關(guān)或雙脈沖與基本周期的模式同步重疊的波形作為輸出光被觀測到。在Q開關(guān)動作時，平均輸出為與基本周期的模式同步狀態(tài)大致相同的程度，在數(shù)微秒的長脈沖(Q開關(guān)脈沖)中，以數(shù)kHz數(shù)百kHz程度的重復(fù)排列有模式同步的脈沖串。在上述波形的情況下，通過實施能量放大，也可以適用于激光加工等能量應(yīng)用。權(quán)利要求1.一種模式同步固體激光裝置，其特征在于，包括輸出鏡，構(gòu)成諧振器的一端；可飽和吸收鏡，構(gòu)成所述諧振器的另一端；固體激光介質(zhì)，配置在所述諧振器內(nèi)的與所述可飽和吸收鏡的距離為瑞利長度的2倍以下的位置；激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)，從所述諧振器的外部向諧振器內(nèi)入射激發(fā)光；負(fù)群速度色散元件，配置在所述諧振器內(nèi)，所述負(fù)群速度色散元件使光在所述諧振器往復(fù)一次時的該諧振器整體的群速度色散在0以下；和分色鏡，配置在所述諧振器內(nèi)，所述分色鏡將由所述激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)從所述諧振器的外部向諧振器內(nèi)入射的所述激發(fā)光向所述固體激光介質(zhì)反射，并使振蕩光透射。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的模式同步固體激光裝置，其特征在于，在所述諧振器內(nèi)，從所述輸出鏡側(cè)起按順序配置有所述負(fù)齊速度色散元件、所述分色鏡和所述固體激光介質(zhì)。3.根據(jù)權(quán)利要求l所述的模式同步固體激光裝置，其特征在于，所述固體激光介質(zhì)在母材中添加有稀土類。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模式同步固體激光裝置，其特征在于，所述稀土類為鐿(Yb)、鉺(Er)或釹(Nd)。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模式同步固體激光裝置，其特征在于，所述固體激光介質(zhì)是Yb:YAG(Y3Al5012)、Yb:KYW(K(W04)2)、Yb:KGW(KGd(W04)2)、Yb:Y203、Yb:Sc203、Yb:Lu203、Er，Yb:玻璃、Nd:玻璃的任一種。6.根據(jù)權(quán)利要求l所述的模式同步固體激光裝置，其特征在于，所述可飽和吸收鏡的吸收調(diào)制深度AR在0.4%以上，利用下述關(guān)系式表示的、預(yù)定波長的光在所述諧振器內(nèi)往復(fù)一次時的諧振器內(nèi)總色散量的絕對值lDl，被設(shè)定在能夠通過所述可飽和吸收鏡抑制基本周期的孤子脈沖以外的動作方式的脈沖波段內(nèi)，數(shù)學(xué)式(1)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中，D<0，TP:脈寬，人0:中心波長，Aeff,L(=7UOL2):激光介質(zhì)中振蕩光束截面面積，n2:激光介質(zhì)的非線性折射率，Is:激光介質(zhì)的晶體長度，EP:諧振器內(nèi)部脈沖能量。7.根據(jù)權(quán)利要求l所述的模式同步固體激光裝置，其特征在于，所述諧振器是直線型。8.根據(jù)權(quán)利要求l所述的模式同步固體激光裝置，其特征在于，所述固體激光介質(zhì)中的所述激光振蕩光的直徑在lOO)im以下。9.根據(jù)權(quán)利要求l所述的模式同步固體激光裝置，其特征在于，所述負(fù)群速度色散元件包括棱鏡對、衍射格子對、負(fù)色散鏡中任一個或者兩個以上的組合。10.根據(jù)權(quán)利要求l所述的模式同步固體激光裝置，其特征在于，所述負(fù)群速度色散元件為使所述激光振蕩光透射的透射型負(fù)色散鏡，并且兼作所述輸出鏡。全文摘要一種模式同步固體激光裝置，在諧振器內(nèi)具有固體激光介質(zhì)、可飽和吸收鏡和負(fù)色散元件，以瑞利長度的2倍以下的距離，配置固體激光介質(zhì)及可飽和吸收鏡，所述瑞利長度由在可飽和吸收鏡形成的振蕩光的光束半徑確定，另外在諧振器內(nèi)具有分色鏡，使從與諧振器光軸相交的方向朝該光軸入射的激發(fā)光向固體激光介質(zhì)反射，并且使振蕩光透射。文檔編號H01S3/08GK101399426SQ200810168150公開日2009年4月1日申請日期2008年9月28日優(yōu)先權(quán)日2007年9月28日發(fā)明者笠松直史申請人:富士膠片株式會社