專利名稱：：模式同步固體激光裝置的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種固體激光裝置，具體而言特別涉及容易小型化且能夠?qū)崿F(xiàn)短脈沖動作的模式同步固體激光裝置。
背景技術：
：以往開發(fā)的固體激光裝置將半導體激光器(LD)作為激發(fā)光源，并由此激發(fā)添加有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、玻璃等)。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)、計測等眾多應用領域中得到研究及提倡，而且經(jīng)過實際驗證后，一部分得到實際應用。這種激光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，基于半導體可飽和吸收鏡(SemiconductorSaturableAbsorbingMirror,以下稱為SESAM)的模式同步，由于具有簡便、低成本、尺寸小以及自行開始的優(yōu)點，被投入了較大精力進行其研發(fā)。尤其在作為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)過由負群速度色散與自行相位調(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l、3中對孤子型模式同步的定義)。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)設置固體激光介質(zhì)、可飽和吸收鏡和負群速度色散元件。另外，以下有時也把負群速度色散簡稱為負色散。圖18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)的典型結構。在該圖18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對應地設置的輸入光學系統(tǒng)，83表示固體激光介質(zhì)，M,、M2表示構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18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的激光振蕩光的光束半徑①a，采用通過凹面鏡M1、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構。這樣減小激光介質(zhì)上和SESAM上的點尺寸的理由有以下兩點。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)。數(shù)學式(1)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(1)其中，COp:固體激光介質(zhì)中的激發(fā)光束半徑，hVp: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，T: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，No: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C0L和激發(fā)光束半徑C0p。目前，作為發(fā)射器寬度為100pm左右的實用的半導體激光器，市場上出售有輸出為3W左右的產(chǎn)品。若以其為基礎考慮閾值，通過使諧振器模式半徑"l、激發(fā)點半徑wp聚焦至直徑在100pm以下，并且根據(jù)其他諧振器條件，能夠利用Yb:KGW以外的各種添加有Yb的激光介質(zhì)使閾值在100mW(Yb:YAG)300mW(Yb:Y203)左右。其中，L產(chǎn)l。/。，T。c=l%，結晶厚度為l.Otmn，稀土類離子添加濃度為5at%。由于該閾值非常低，是激發(fā)能量的1/10左右，所以能夠?qū)崿F(xiàn)激光動作的高效化。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器中，在何種條件下產(chǎn)生混合存在Q開關動作的模式同步(Q開關模式同步)。Q開關模式同步是指，在Q開關脈沖(頻率kHz數(shù)百kHz，脈寬為微秒至納秒)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，所以除能量應用以外，一般不優(yōu)選。根據(jù)上述非專利文獻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開關動作的條件利用下述公式(2)表示。數(shù)學式(2)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(2)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/cy):激光介質(zhì)的飽和通量，lw:振蕩激光光子能量，Aeff,A(=tuoa2):可飽和吸收鏡上的振蕩光束截面面積，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>: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，數(shù)學式(3)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(n2:激光介質(zhì)的非線性折射率，D:在諧振器整體往復一次的群速度色散(D<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)以上說明的激光振蕩閾值以及CW模式同步閾值相關的兩個條件，需要縮小激光介質(zhì)、SESAM的光束截面面積。在現(xiàn)有的模式同步固體激光器的情況下，利用兩枚凹面鏡(在圖18的例子中為Ml、M2，通常采用曲率半徑在100200mm的凹面鏡)包夾激光介質(zhì)，使光束聚焦，且SESAM利用凹面鏡聚光的結構也較多。在具有上述結構的現(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，構成模式同步固體激光器的光學部件數(shù)量增多，進而導致裝置成本增加。作為具體的裝置尺寸，凹面鏡與激光介質(zhì)、SESAM之間設定為曲率半徑的一半左右的距離，所以僅上述部件也需要150mm(曲率半徑100mm時)300mm(曲率半徑200mm時)左右的長度。進而考慮到負色散元件等的插入空間時需要500mmlm量級的諧振器長度，這一點導致激光裝置的大型化。另外，在圖18的結構中，負色散通過由棱鏡86、87構成的棱鏡對產(chǎn)生，棱鏡間隔是450mm。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。因此，在模式同步固體激光裝置中，為了實現(xiàn)激光振蕩動作的穩(wěn)定，期望裝置的小型化。另一方面，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，并且使負色散鏡兼作輸出鏡，從而減少光學部件并實現(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非專禾U文獻2:AppliedOptics,vol.36no.9pp.l867-1874，1997非專禾U文獻3:JournalofOpticalSocietyofAmerica,vol.16no.lp.46-56,1999然而，如專利文獻1和專利文獻2所述，將作為反射鏡的可飽和吸收鏡與激光介質(zhì)靠近或者接觸配置時，存在如下問題。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，所謂空間燒孔效應的產(chǎn)生方式出現(xiàn)差異，其與模式同步現(xiàn)象相結合，對模式同步的穩(wěn)定性造成影響，這一點可以從AppliedPhysicsBvol.72pp.267-268，2001(以下稱作參考文獻1)、文獻AppliedPhysicsBVol.61pp.429-437，1995以及文獻AppliedPhysicsBVol.61pp.569-579，1995得知。在構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，并導致不穩(wěn)定。因此，如專利文獻1和專利文獻2等所述，將作為反射鏡的可飽和吸收鏡與激光介質(zhì)靠近或者接觸配置時，會產(chǎn)生顯著的空間燒孔效應，孤子脈沖非常不穩(wěn)定。然而，在專利文獻1和2中，沒有對空間燒孔效應對模式穩(wěn)定性的影響有任何記載，沒有公開實現(xiàn)模式穩(wěn)定性的對策。另外，在上述參考文獻l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:Lll203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。艮p，在對模式同步固體激光裝置進行小型化時，提出有實現(xiàn)小型化的結構，但是沒有明確在小型化的結構中穩(wěn)定地產(chǎn)生孤子脈沖的條件，因此難以得到實用的可以進行穩(wěn)定的模式同步振蕩的小型模式同步固體激光裝置。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明考慮到上述情況，目的在于提供一種固體激光裝置，明確能夠使模式同步動作穩(wěn)定的條件，并且小型化，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，其是孤子型模式同步固體激光裝置，基本上在諧振器內(nèi)具有固體激光介質(zhì)、可飽和吸收鏡及負色散元件，其特征在于，所述固體激光介質(zhì)和可飽和吸收鏡以瑞利長度的兩倍以下的距離靠近配置，所述可飽和吸收鏡的吸收調(diào)制深度AR在0.4%以上，利用下述關系式表示的、預定波長的光在所述諧振器內(nèi)往復一次時的諧振器內(nèi)總色散量的絕對值lDl(其中DO)，被設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)學式(4)Tp=--47tn2lsEp(其中，TP:脈寬，？10:中心波長，Aeff.L(=7U0L2):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)。其中，上述"諧振器內(nèi)具有"也包括其元件本身構成諧振器的終端的情況。此外，上述的瑞利長度為ZR=T0)A2/X所規(guī)定的值，是激光束半徑為腰部(在該情況下為COA)的21/2倍的、從腰部開始的光軸方向距離。此外，所述可飽和吸收鏡和固體激光介質(zhì)的距離在"瑞利長度的兩倍以下"包括兩者距離為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。在此，上述"基本周期的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3)。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Svshift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，關于CW背景和雙脈沖將移位量表述為零。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>雙脈沖V0—5"Vdoubie1/2Avp/2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)的關系利用上述公式表示，設定在根據(jù)如下脈沖波段求出的范圍在被設定為0.4%以上的預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構，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)總色散量實施預定的限制。上述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)定性進行仔細研究的結果后發(fā)現(xiàn)的，這一點由本發(fā)明根據(jù)上述結論首次提出。另外，本發(fā)明將產(chǎn)生空間燒孔效應的系統(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)。另外，在本發(fā)明的模式同步固體激光裝置中優(yōu)選的是，激發(fā)固體激光介質(zhì)的激發(fā)光，從相對諧振器光軸傾斜的方向入射，并且由在該光軸上或者其延長線上配置的、使固體激光振蕩光透射的分色鏡反射，向該光軸方向前進。另外，所述"傾斜的方向入射"還包括從與光軸垂直的方向入射。另外，在本發(fā)明的模式同步固體激光裝置中優(yōu)選的是，作為固體激光介質(zhì)，適用添加有稀土類的物質(zhì)。作為上述稀土類包括鐿(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(Y2AI5012)、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)選諧振器是直線型.另外，在本發(fā)明的模式同步固體激光裝置中優(yōu)選諧振器模式腰直徑(Cavitymodewaistdiameter)在lOOfim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1/62以上的區(qū)域。進而，作為所述負色散元件適用棱鏡對、衍射格子對、負色散鏡中任一個或者兩個以上的組合。另外，在本發(fā)明的模式同步固體激光裝置中優(yōu)選的是，作為負色散元件適用透射型負色散鏡，其兼?zhèn)渲C振器輸出鏡的功能。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-2500fse^以上、小于Ofsec2的范圍。另一方面，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-5750fsec2以上、小于Ofsec2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-1750fsec^以上、小于Ofsec2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Ofse一的范圍。此外，在固體激光介質(zhì)是Yb:LU2Cb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。圖1表示后述本發(fā)明的模式同步固體激光裝置的基本結構。在該圖1所示的本裝置中，固體激光介質(zhì)15和可飽和吸收鏡16緊密接合而配置，或者以在可飽和吸收鏡16形成的諧振器模式半徑?jīng)Q定的瑞利長度的兩倍以下的距離靠近配置，由此以較少的鏡子數(shù)，即最少時能夠僅以輸出鏡凹面鏡和可飽和吸收鏡兩個，在可飽和吸收鏡上形成光束腰，并在其附近配置固體激光介質(zhì)。因此，能夠使固體激光介質(zhì)和可飽和吸收鏡兩者的光束光斑(Aeff.A，Aeff.L)縮小，并且由于諧振器長度足夠短，從而能夠?qū)崿F(xiàn)結構小型、穩(wěn)定的CW模式同步固體激光器。另一方面，在可飽和吸收鏡和激光介質(zhì)與現(xiàn)有情況相比大幅度地靠近進行配置時，產(chǎn)生顯著的空間燒孔效應，與模式同步密切結合而對穩(wěn)定條件產(chǎn)生影響。然而本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，如本發(fā)明所述通過將可飽和吸收鏡的吸收調(diào)制深度設為0.4%以上，將滿足上述公式的諧振器內(nèi)總色散量lDl設為能夠由該可飽和吸收鏡抑制競爭脈沖的脈沖波段的預定值，可以進行穩(wěn)定的孤子模式振蕩。并且明確了作為諧振器內(nèi)色散量D根據(jù)情況需要-數(shù)千fsec^左右。以往未明確使小型的模式同步固體激光裝置穩(wěn)定地動作的諧振器內(nèi)總色散量D、和可飽和吸收鏡的吸收調(diào)制深度AR的條件，難以實現(xiàn)穩(wěn)定性高且小型的模式同步固體激光裝置。通過滿足本發(fā)明的上述條件，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。一另外，在本發(fā)明的模式同步固體激光裝置中，在構成如下結構的情況下，激發(fā)光學系統(tǒng)被充分小型化因而特別優(yōu)選激發(fā)固體激光介質(zhì)的激發(fā)光，從相對諧振器光軸傾斜的方向入射，并且由在該光軸上或者其延長線上配置的、使固體激光振蕩光透射的分色鏡反射，向該光軸方向前進。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3是說明模式同步固體激光裝置的脈沖競爭現(xiàn)象的圖。圖4是表示模式同步激光裝置中脈沖波段與增益優(yōu)先度的關系的一個例子的圖表。圖5是表示脈沖波段與所需的分散量的關系的圖表。圖6是表示模式同步激光裝置的脈沖波段與增益優(yōu)先度的關系的一個例子的圖表。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)先度的關系的一個例子的圖表。圖13是表示模式同步激光裝置的脈沖波段與增益優(yōu)先度的關系的一個例子的圖表。圖14是表示模式同步激光裝置的脈沖波段與增益優(yōu)先度的關系的一個例子的圖表。圖15是表示模式同步激光裝置的脈沖波段與增益優(yōu)先度的關系的一個例子的圖表。圖16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17是表示模式同步激光裝置的脈沖波段與增益優(yōu)先度的關系的一個例子的圖表。圖18是表示現(xiàn)有的模式同步固體激光裝置的一個例子的教要俯視圖。具體實施方式以下，參照本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。圖1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體激光器ll，產(chǎn)生激發(fā)光(抽運光，Pumpinglight)10;激發(fā)光學系統(tǒng)12，向諧振器內(nèi)輸入激發(fā)光10;分色鏡13，在該激發(fā)光學系統(tǒng)12的后段，配置于后述的諧振器的光軸延長線上；凹面輸出鏡14，構成諧振器的一側(cè)終端；SESAM(半導體可飽和吸收鏡)16，構成諧振器的另一側(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透射、使波長1045nm的固體激光振蕩光18反射的特性的分色鏡。此外，作為負色散元件17，適用包括所述棱鏡對、衍射格子對、負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緊密接合配置，或者以由在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。在上述結構中，由透射分色鏡13和輸出鏡14并入射到諧振器內(nèi)的激發(fā)光IO激發(fā)固體激光介質(zhì)15，由此產(chǎn)生的波長為1045nm的光在諧振器的作用下振蕩。該固體激光振蕩光18部分透射輸出鏡14，并在分色鏡13反射而從激發(fā)光10的光路離開并取出到外部。另外，在采用在諧振器之外配置的分色鏡時，與上述相反地，也可以構成為利用該分色鏡使激發(fā)光IO反射而導入到諧振器內(nèi)，振蕩光18透射該分色鏡并射出。并且，由激光諧振器內(nèi)的負色散元件17的作用引起的負的群速度色散、與主要在固體激光介質(zhì)15的自行相位調(diào)制進行結合，得到飛秒?yún)^(qū)域的脈沖振蕩光18。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行相位調(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歩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將擴大為振蕩光束腰coa的2.2倍。由此，根據(jù)上述公式(1)，與振蕩光束腰到達固體激光介質(zhì)15的結構相比，激光振蕩閾值上升到4.8倍。但是，若在光束腰的光束半徑cDA^25nm左右，則振蕩光束半徑(ol-2.2X25^im，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o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的結構相比，CW模式同步閾值從2.36nJ增大約2.5倍左右的閾值成為5.93nJ(其中，作為SESAM16的特性參數(shù)，AR=0.9%，F(xiàn)sat,A=9(HiJ/Cm2)。但是，關于這種程度的增大，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。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。gP，通過以上述距離配置固體激光介質(zhì)和SESAM,可以構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設定在預定范圍，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。在此，圖4表示對Yb:KYW晶體進行數(shù)值計算得到的、由空間燒孔而產(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所示結構的模式同步固體激光裝置而求出的。圖4的橫軸為進行激光振蕩的孤子脈沖的波譜波段A人p(脈沖波段)。此外，在此作為基本周期孤子脈沖的增益G，假設G-0.04(雖然該值取決于激發(fā)光的功率、點系統(tǒng)(Spotdiameter)、裝置結構，但設定為實際裝置結構的值)。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4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對應的非線性反射特性(例如參照上述非專利文獻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。即，在圖4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，移位脈沖在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3)，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存在如下比例關系(參照非專利文獻3)。TP一數(shù)學式(5)47rn2lsEP(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設定為合適范圍的值。圖5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系)。根據(jù)上述關系，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)將可飽和吸收鏡設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，并且將預定波長的光在諧振器內(nèi)往復一次時諧振器內(nèi)總色散量的絕對值lDl(其中D切)，設為與滿足式(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)"0的脈沖波段的范圍對應的值，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步裝置中，設計為SESAM飽和度S二35左右，在本發(fā)明的具體結構中也假設該范圍的值，尤其在以下說明中采用S-4。參照圖4，雙脈沖的增益優(yōu)先度的最小值為AG-0.05e/。，所以為了抑制該雙脈沖，在S二4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，通常在不產(chǎn)生空間燒孔的系統(tǒng)中，厶11=0.3%2%左右適合于模式同步。但是，例如在AR-0.3。/。、S=4Bt，為了抑制CW背景，脈沖波段被限制為AR/2-0.15。/。，只能穩(wěn)定地存在4nm7mn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4所示，因為移位脈沖的增益優(yōu)先度在4nm以上時大致為0)。若獲取這些條件的積集合，其結果雙脈沖條件最嚴格，僅允許脈沖波段4.56.0nm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o二1045nm)的脈寬(中心223fsec士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設為0.4%以上，可以擴大脈沖波段。例如，在AR二0.8。/。、S=4時，可能的脈沖波段是A人p二4nm8nm，與其對應的脈寬是Tp二287143fsec。在AR二1.4。/。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)制深度設為0.4%以上的預定值時，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，假設作為激發(fā)光源的半導體激光器的發(fā)射器寬度為100pm、輸出功率為3W級，在諧振器長度設為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Toc-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4，為了生成104fsec脈沖(與脈沖波段llnm相當)，需要950fsec^的負的色散量。在穩(wěn)定范圍的下限4nm(基于移位脈沖的限制)，可以設為2500fsec^左右的負色散量。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)明中假設的裝置，這是諧振器內(nèi)總色散量的絕對值上限。關于絕對值下限，若脈沖能量減小，則也需要相應地減小諧振器內(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，所以絕對值下限設為超過O。艮P，在圖l所示結構的模式同步固體激光裝置中，在采用Yb:KYW作為固體激光介質(zhì)，并且吸收調(diào)制深度AR》0.4c/。時，諧振器內(nèi)總色散量D需要在-2500fsec^以上且小于0的范圍。根據(jù)裝置結構，對總色散量D的范圍有進一步限制。例如，在上述例子中厶11=0.8%、S=4、EP=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5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-2500fsec^大的負色散，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、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)明的假設范圍之外。此外，圖6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6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1200fse左右，若利用該一個色散鏡實施色散，則需要優(yōu)選將AR設定為在絕對值1200fse—以下達到穩(wěn)定的條件。這在下述其他激光材料也相同。另夕卜，在將色散量的絕對值設為超過1200fsec2時，例如后述圖7和圖8所示，可以設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構成，但關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4和圖6相同的計算結果。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n2的值，Yb:KGW(n2=20Xl(T20m2/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的結構中諧振器長度為50mm，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，脈沖重復下降，脈沖能量增大，所以能夠容易超過CW模式同步閾值。g卩，認為若僅考慮與CW模式同步相關的公式(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，認為200mm左右是機械性限度。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、因受熱造成的機構部件的位置變動、因剛性造成的撓曲等導致的光學偏差，導致激光特性的惡化、不穩(wěn)定。公知諧振器的校準允許度(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，則可以將允許度設為5倍即250500nrad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50nrad(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。另外，如圖2所示，用于將激發(fā)光IO會聚在固體激光介質(zhì)15的激發(fā)光學系統(tǒng)12也可以構成為，經(jīng)由分色鏡13使激發(fā)光IO與諧振器的光軸傾斜地入射。這樣，可以使用折射率分布型透鏡為一個的非常簡單的激發(fā)光學系統(tǒng)，因此能夠形成顯著地小型化的模式同步固體激光裝置。B卩，與圖1的結構相比，激發(fā)光源到激光介質(zhì)為止的距離取得較短，因此可以使激發(fā)光學系統(tǒng)小型且簡單。下面，進一步說明激光諧振器的結構。作為圖2所示的負色散元件17，具體地講可以使用圖7的實施方式所示的由棱鏡20、21構成的棱鏡對，進而也可以使用圖8的實施方式所示的由負色散鏡30、31構成的負色散鏡對。只要能夠體現(xiàn)出負色散，則并不限于此，也可以使用負色散纖維(Negativedispersionfiber)及衍射格子對。例如，在使用由SF10玻璃構成的棱鏡對時，可以將諧振器長度設為40ctn以下。這是因為，在將后述合適的負色散量設為-2500fse^時，可以將棱鏡間隔設為30cm左右(參照上述非專利文獻3)。關于負色散鏡，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)、采用所謂標準干涉儀(Etaloninterferometer)的GTI(Gires-TournoisInterferometer)鏡(參照文獻IEEETransactiononQuantumElectronicsvol.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-4000fsec2的負色散量。但是，在本發(fā)明中負色散量規(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量。為了實現(xiàn)短諧振器化，優(yōu)選使用后者的負色散鏡。此時，諧振器長度可以降低到50mm甚至更低。此對，也可以如圖9所示的實施方式，對輸出鏡14的鏡面實施透射型負色散涂覆17A，由此使輸出鏡14兼作負色散鏡17'。并且，在前者的情況下，作為負色散鏡，可以使用反射率99.8%左右的啁啾鏡。此外，優(yōu)選諧振器結構為直線型，但并不限于此，只要SESAM16和固體激光介質(zhì)15緊密結合或者以上述距離靠近，則可以采用任何結構。例如圖IO、圖ll所示的實施方式，可以采用L字型、V字型的諧振器結構。這樣，可以實現(xiàn)各種幾何學設計。另外，在閨10中40表示反射振蕩光18的平面鏡，在圖11中50表示反射振蕩光18的凹面鏡，51表示輸出鏡。此外，圖12表示關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)先度進行計算的結果。在此，作為基本周期孤子脈沖的增益G，設定G-0.07。此時也判明在S=4時，通過設定ARX).4。/。，可以獲得穩(wěn)定地產(chǎn)生孤子脈沖的波段。例如，通過設定AR-0.8。/。，可以在波段24mn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4nm(與脈寬287fsec相當)。因此，在使用Yb:YAG時，優(yōu)選設為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)，一般采用單晶，但近年來也利用石榴石(Garnet)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:1>11203等與此相當(參照文獻OpticsExpress,vol.11no.22(20Q3)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。一下面，圖13表示關于Yb:Y203的競爭脈沖相對基本孤子脈沖的增益優(yōu)先度的計算結果。在此，作為基本周期孤子脈沖的增益G，設定G=0.06。此時也判明在S=4時，通過設定AR》0.4。/。，可以獲得穩(wěn)定地產(chǎn)生孤子脈沖的波段。例如，通過設定AR-0.8"5/。，可以在脈沖波段46nm抑制雙脈沖、CW背景。這樣，在厶11=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，但通過設定AR》0.8y。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=1.16Xl(T19m2/W)，所以相應地總色散量D的絕對值也是1.3倍。因此，關于Yb:Y203的諧振器內(nèi)總色散量D的優(yōu)選范圍是-3250fseJ以上且小于0。下面，圖14表示對Yb:LU203計算的結果。在此，作為基本周期孤子脈沖的增益G，設定G-0.05。此時也判明在S-4時，通過設定AR》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:LU203的情況下是Yb:KYW的大約1.2倍的非線性折射率(n2=1.0Xl(T19m2/W)，所以相應地諧振器內(nèi)總色散量D的絕對值也是1.2倍。因此，關于Yb:LU203的諧振器內(nèi)總色散量D的優(yōu)選范圍是-3000fsec^以上且小于0。另外，關于具有與Yb:Lu203相同的晶體結構、而且具有大致相同的非線性折射率的Yb:Sc203，設定與Yb:Lll203相同的條件。下面，圖15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)先度的計算結果。在此，作為基本周期孤子脈沖的增益G，設定G-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4111/2向上限激光能級4113/2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16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)。并且，由于Er、Yb共摻磷酸玻璃的非線性折射率比較小(n2=3Xl(T2Qm2/W)，所以能夠減小色散量，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，可以認為Nd摻雜的激光玻璃材料也相同。例如，圖17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n2-2.8Xl(r2Gm2/W是Yb:KYW的1/3，所以色散量D也相應地成為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。并且，在本發(fā)明中也可以構成為，在對構成諧振器的元件的參數(shù)進行上述設定的基礎上，進一步通過插入諧振器內(nèi)的分色鏡導入激發(fā)光。由此與圖18所示的現(xiàn)有裝置中需要復雜且大型的激發(fā)光學系統(tǒng)相比，能夠?qū)⒓ぐl(fā)光學系統(tǒng)大幅小型化，而且簡化結構，進而做到低成本化。而且能夠?qū)崿F(xiàn)激光輸出的穩(wěn)定化。以往，經(jīng)由構成諧振器的鏡子(在圖18中為曲率半徑20cm的凹面鏡)來激發(fā)，因此裝置大型且復雜，并且成本高。更詳細的說明如下。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，在經(jīng)由諧振器凹面鏡的情況下，凹面鏡和晶體的距離大致與激發(fā)光學系統(tǒng)的后方焦點距離相當。在利用一個透鏡系統(tǒng)實現(xiàn)該結構的情況下，在激發(fā)光學系統(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，凹面鏡與晶體的距離需要其一半即50mm至100mm。因此，從半導體激光器到激光晶體的距離需要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18所示組合多個透鏡來。由于激發(fā)半導體激光器的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軸的準直器、聚光用的透鏡系統(tǒng)和slow軸用的準直器、聚光用的透鏡系統(tǒng)進行組合。在該結構中，最少需要fast軸準直透鏡、slow軸準直透鏡(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，在通過諧振器鏡進行激發(fā)時，存在激發(fā)光學系統(tǒng)的透鏡系統(tǒng)容易變大變復雜的問題。對此，在本發(fā)明中適用的分色鏡一般以高反射(反射率>85%)對激發(fā)光進行反射，并且不反射(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)光的入射角度對應的涂覆設計。進而，在使用上述分色鏡的情況下，作為激發(fā)光學系統(tǒng)，可以使用折射率分布型透鏡(GRIN透鏡-GradedIndex透鏡)等一個透鏡。其理由在于可以縮短固體激光介質(zhì)與激發(fā)光學系統(tǒng)透鏡的距離。實際上在構成1比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dl=2/3f=1.3mm、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。以往在實現(xiàn)1:2的光學倍率時，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)光的結構，則相應地需要75mm200mm的長度。因此，可以說在本發(fā)明中，在適用上述分光鏡的情況下，可以實現(xiàn)非常小的激發(fā)光學系統(tǒng)。權利要求1.一種模式同步固體激光裝置，其是孤子型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)、可飽和吸收鏡及負群速度色散元件，其特征在于，所述固體激光介質(zhì)和可飽和吸收鏡以瑞利長度的兩倍以下的距離靠近配置，所述可飽和吸收鏡的吸收調(diào)制深度ΔR在0.4％以上，利用下述關系式表示的、預定波長的光在所述諧振器內(nèi)往復一次時的諧振器內(nèi)總色散量的絕對值|D|，被設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)學式(1)其中，D<0，τP脈寬，λ0中心波長，Aeff，L(＝πωL2)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，1s激光介質(zhì)的晶體長度，EP諧振器內(nèi)部脈沖能量。2.根據(jù)權利要求l所述的模式同步固體激光裝置，其特征在于，激發(fā)所述固體激光介質(zhì)的激發(fā)光，從相對諧振器光軸傾斜的方向入射，并且由在該光軸上或者其延長線上配置的、使固體激光振蕩光透射的分色鏡反射，向該光軸方向前進。3.根據(jù)權利要求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)添加有稀土類。4.根據(jù)權利要求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。.7.根據(jù)權利要求l所述的模式同步固體激光裝置，其特征在于，諧振器模式腰直徑在lOOpm以下。8.根據(jù)權利要求l所述的模式同步固體激光裝置，其特征在于，所述負群速度色散元件包括棱鏡對、衍射格子對、負色散鏡中任一個或者兩個以上的組合。9.根據(jù)權利要求l所述的模式同步固體激光裝置，其特征在于，所述負群速度色散元件為透射型負色散鏡，且兼?zhèn)渲C振器輸出鏡的功能。'全文摘要一種模式同步固體激光裝置，其是孤子型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)、可飽和吸收鏡及負色散元件，其中，固體激光介質(zhì)和可飽和吸收鏡以瑞利長度的兩倍以下的距離靠近配置。進而，可飽和吸收鏡的吸收調(diào)制深度ΔR在0.4％以上，此外利用下述關系式表示的、預定波長的光在諧振器內(nèi)往復一次時的諧振器內(nèi)總色散量的絕對值|D|，被設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)學式(1)見右上。文檔編號H01S3/098GK101399427SQ20081016815公開日2009年4月1日申請日期2008年9月28日優(yōu)先權日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