[論文レビュー] Passively mode-locked diode-pumped Nd:YVO4 oscillator operating at ultra-low repetition rate

Dimitris N. Papadopoulos, Sébastien Forget+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2006

Solid State Laser Technologies参考文献 9被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、キャビティダンピングを用いず、長期間にわたり安定した動作を実現する、2枚の平面ミラーを用いた新規なマルチパスキャビティ（MPC）構造を採用した、受動的モードロック化された半導体励起Nd:YVO4レーザーオシレーターについて報告している。このレーザーは1.2 MHzという極めて低い繰り返し周波数で、16.3 psのパルス幅、470 mWの平均出力、24 kWのピークパワーを達成しており、これにより、56往復の経路を経由する有効キャビティ長が約121 mに達する。MPCにより、キャビティ長および往復回数の精密制御が可能となり、1 MHz未満の動作が可能であると同時に、高いビーム品質と50%の効率で532 nmへの効率的な周波数倍算が実現された。

ABSTRACT

We demonstrate the operation of an ultra low repetition rate, high peak power, picosecond diode pumped Nd:YVO4 passively mode locked laser oscillator. Repetition rates even below 1 MHz were achieved with the use of a new design multiple-pass cavity and a semiconductor saturable absorber. Long term stable operation at 1.2 MHz, pulse duration of 16.3 ps and average output power of 470 mW corresponding to 24 KW peak power pulses is reported. This is, to our knowledge, the lowest repetition rate high peak power pulses ever generated directly from a picosecond laser resonator without cavity dumping.

研究の動機と目的

• 蛍光寿命イメージングへの応用を想定し、1 MHz未満の超低繰り返し周波数で動作する、コンactで安定かつ高ピークパワーのピコ秒レーザー源の開発を目的とする。
• キャビティダンピングや複雑な増幅段階を用いずに、モードロックレーザーで低繰り返し周波数を達成する課題を克服することを目的とする。
• 2枚の平面ミラーを用いたマルチパスキャビティ（MPC）構成を設計し、往復回数およびキャビティ長に対する柔軟で安定した制御を可能とすることを目的とする。
• 高ビーム品質と高イントラキャビティパワーを維持したまま、1.2 MHzでの長期安定動作を実証し、可視光帯域への効率的な周波数倍算に適した条件を整えることを目的とする。
• 超低繰り返し周波数での安定モードロックを実現するため、十分な調制深さと損傷閾値を有する半導体吸収体ミラー（SESAM）の使用を検証することを目的とする。

提案手法

• 56往復を経由する有効キャビティ長を約121 mにまで拡大するため、2枚の曲率半径2 mの凹面ミラーと2枚の平面ミラーを用いた折りたたみ型マルチパスキャビティ（MPC）を採用した。
• 808 nmで駆動される15 Wのファイバーカップリング型半導体レーザーで励起するため、5 mm長の0.1%ドープNd:YVO4結晶を用い、増幅を発生させた。
• 受動的モードロックを実現するため、6.1%の調制深さを有する半導体吸収体ミラー（SESAM）を実装した。
• ABCD行列解析を用いてキャビティ設計を最適化し、複数往復にわたるビーム伝搬の安定性と、ビームパラメータの劣化を最小限に抑えることを確認した。
• 平面ミラーおよび凹面ミラーのアライメントを調整することで、往復回数と繰り返し周波数を制御し、2.3 MHzから1.2 MHzまでチューニング可能とした。
• ポンプビームの焦点化には1:1の2レンズ系（Aeff,L ≈ 1.3×10⁻³ cm²）を、SESAMへの焦点化には2 mの焦点距離を持つミラー（Aeff,A ≈ 4.7×10⁻³ cm²）を用い、モード重ね合わせと最適なモード面積を実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キャビティダンピングや外部増幅を用いずに、受動的モードロック化されたNd:YVO4オシレーターが1 MHz未満の繰り返し周波数で安定して動作可能か？
• RQ2 マルチパスキャビティ設計を最適化することで、超高有効キャビティ長を実現しつつ、ビーム品質と安定性を維持できるか？
• RQ3 超低繰り返し周波数におけるQスイッチングモードロックや複数パルス不安定性を回避するためのSESAMおよびキャビティ構成の重要な設計パrameterは何か？
• RQ4 ミラーのアライメントによるMPC内通過回数の制御は、繰り返し周波数のチューニングにどの程度有効か？
• RQ5 高ビーム品質と効率的な周波数変換を維持した状態で、超低繰り返し周波数における最大平均出力およびピークパワーはどの程度達成可能か？

主な発見

• 1.2 MHzの繰り返し周波数で安定した連続波動作を達成し、パルス幅は16.3 psであり、自己自己相関曲線でのFWHMは23 psに相当した。
• 平均出力は470 mWを測定し、これによりパルスエネルギーは392 nJ、ピークパワーは24 kWに達した。
• ビーム品質は回折限界に近く、M²値は1.1をわずかに上回った。これは高い空間コherー二ンスを示している。
• 数週間にわたり長期安定した動作を示し、顕著なドリフトやモードホッピングは観察されなかった。
• 10 mmの周期的ポリングKTP結晶における周波数倍算効率は、532 nmで最大50%に達した。これは可視光応用に適していることを裏付けた。
• MPC構成により、884 kHzおよび650 kHzでも安定動作を達成したが、複数パルス不安定性のため、これらの低周波数帯での長期動作は困難であった。