JPH04361582A - Q-switched two-frequency co2 laser device - Google Patents

Q-switched two-frequency co2 laser device

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JPH04361582A
JPH04361582A JP3163460A JP16346091A JPH04361582A JP H04361582 A JPH04361582 A JP H04361582A JP 3163460 A JP3163460 A JP 3163460A JP 16346091 A JP16346091 A JP 16346091A JP H04361582 A JPH04361582 A JP H04361582A
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laser
wavelength
oscillation
wavelengths
loss
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Tatsuhiko Sakai
辰彦 坂井
Naoya Hamada
直也 浜田
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Nippon Steel Corp
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Abstract

PURPOSE:To obtain a Q switched CO2 laser device which is able to stably output laser rays of two wavelengths for a long time from the same excitation space on the same optical axis using a single CO2 laser medium. CONSTITUTION:In a Q switched CO2 laser device, laser rays of two wavelengths are oscillated on the same axis through a composite resonator which uses a single partial transmission output mirror 2 and the primary diffracted light of two diffraction gratings 4 and 5 whose rotation axes cross each other at a right angle and a beam polarized beam splitter 6, and laser rays of one wavelength is oscillated as constantly synchronized with laser rays of the other wavelength through a loss control element 6 and the monitoring of zero-order diffracted light, whereby laser rays of two wavelengths can be obtained from a single laser medium on the same optical axis at the same time.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明はレーザ同位体分離に代表
されるレーザを用いた光化学反応に於て要求される、同
一励起空間から同軸状に同時にかつ安定に2波長で発振
するパルスCO2レーザ光を得るためのQスイッチCO
2レーザ装置に関する。
[Industrial Application Field] The present invention is a pulsed CO2 laser that coaxially and stably oscillates at two wavelengths from the same excitation space, which is required in photochemical reactions using lasers such as laser isotope separation. Q switch CO to get light
2 regarding a laser device.

【0002】0002

【従来の技術】レーザ光の単色性・高輝度性を利用した
レーザ光化学反応は従来の反応技術では得られなかった
有機物の合成、同位体の分離が可能であることからレー
ザの新しい応用分野として現在盛んに研究が行われてい
る。その中でもCO2レーザを用いるウラン235、炭
素13同位体の分離・濃縮は近年の著しいCO2レーザ
技術の進歩に伴いその工業プロセス実現への期待が高ま
っている。CO2レーザを用いるレーザ光化学反応は分
子の赤外多光子の共鳴吸収励起・解離を利用するもので
あり、レーザの特性としては高尖頭値出力を有するパル
ス光が要求される。また分子の励起準位の間隔は高励起
準位ほど狭くなり、すなわち共鳴吸収波長は長波長側へ
シフトする。従って基底準位から中間励起準位迄を短波
長光で励起し、更に長波長光で解離する複数波長光を同
時に使用することにより、単一波長光の場合より著しく
解離反応効率が改善されることが知られている。
[Prior Art] Laser photochemical reactions that utilize the monochromaticity and high brightness of laser light are a new field of application for lasers because they enable the synthesis of organic substances and the separation of isotopes that could not be obtained using conventional reaction techniques. Currently, extensive research is being conducted. Among these, the separation and enrichment of uranium-235 and carbon-13 isotopes using a CO2 laser has increased expectations for the realization of this industrial process due to the remarkable progress of CO2 laser technology in recent years. A laser photochemical reaction using a CO2 laser utilizes resonance absorption excitation and dissociation of infrared multiphotons of molecules, and the laser characteristics require pulsed light having a high peak output. Further, the interval between the excited levels of a molecule becomes narrower as the excited level becomes higher, that is, the resonance absorption wavelength shifts to the longer wavelength side. Therefore, by simultaneously using multiple wavelength light that excites the ground level to the intermediate excited level with short wavelength light and further dissociates with long wavelength light, the dissociation reaction efficiency is significantly improved compared to the case of single wavelength light. It is known.

【0003】この様な要求に対応するため、従来から横
方向励起大気圧動作(Transeversely E
xcited at Atomospheric pr
essure 以下TEAと呼ぶ)CO2レーザが用い
られている。TEAレーザに於てはレーザ媒質が大気圧
近傍であることからレーザ媒質相互間の衝突確率が高く
、その時定数は1ns 以下である。それに対しTEA
レーザのパルス時間幅は50〜100ns であり、従
ってレーザ媒質の同一空間から、2波長以上を得ようと
するとパルス時間内で発振波長間で競合が起こり、最も
利得係数の高い波長のみが発振し他の波長は発振しない
かまたはその出力が不安定となるという問題点がある。
In order to meet such demands, transversely excited atmospheric pressure operation (Transversely E
xcited at Atomosphere pr
A CO2 laser (hereinafter referred to as TEA) is used. In a TEA laser, since the laser medium is at near atmospheric pressure, the probability of collision between the laser media is high, and the time constant is 1 ns or less. On the other hand, TEA
The pulse time width of a laser is 50 to 100 ns, so if you try to obtain two or more wavelengths from the same space in the laser medium, competition will occur between the oscillation wavelengths within the pulse time, and only the wavelength with the highest gain coefficient will oscillate. Other wavelengths have problems in that they do not oscillate or their output is unstable.

【0004】そこで単一のTEA  CO2レーザ装置
から複数波長を得る方法としてSov.J.Quant
um Electron. Vol.15 No.5 
p689−691 (1985) に、レーザ媒質空間
を3箇所に分けて、それぞれの空間から回折格子と出力
鏡により別々の3波長を取り出す方法が提案されている
。しかしこの方法ではレーザ媒質空間全体を有効に利用
することができないため発振効率が低く、また発振光軸
が同一でないという問題がある。
Therefore, as a method for obtaining multiple wavelengths from a single TEA CO2 laser device, Sov. J. Quant
um Electron. Vol. 15 No. 5
P689-691 (1985) proposes a method in which the laser medium space is divided into three locations and three separate wavelengths are extracted from each space using a diffraction grating and an output mirror. However, this method has problems in that the oscillation efficiency is low because the entire laser medium space cannot be used effectively, and the oscillation optical axes are not the same.

【0005】特開平1−96977 号公報には多波長
同期型TEA  CO2レーザ発振方法が開示されてい
る。これはレーザガス組成の異なる複数のレーザ媒質を
単一のスイッチング素子で励起し、各レーザ媒質からそ
れぞれ異なる波長のレーザ光を同時に得るものである。 この方法は複数波長のレーザ光を同時に得るには有効で
あるが、レーザ媒質を複数必要とすることから装置が大
型化し、また前記の例と同様に発振光軸が同一でないと
いう問題点がある。
[0005] JP-A-1-96977 discloses a multi-wavelength synchronous TEA CO2 laser oscillation method. In this method, a plurality of laser media having different laser gas compositions are excited by a single switching element, and laser beams of different wavelengths are simultaneously obtained from each laser medium. Although this method is effective in obtaining laser beams of multiple wavelengths simultaneously, it requires multiple laser media, which increases the size of the device, and as in the previous example, there is a problem that the oscillation optical axes are not the same. .

【0006】J.Appl.Phys. Vol.57
 No.7 p2654−2655 (1985)には
単一レーザ媒質から2波長レーザ光を同軸に且つ同期し
て得る方法が提案されている。レーザ装置は回折格子を
用いてレーザ媒質外部では各波長の光軸を分離し、それ
ぞれの波長に対し別個のレーザ共振器を有するように構
成されている。この方法は利得係数の高い波長のレーザ
共振器内に置かれた該波長に対する過飽和吸収体等の損
失素子により発振を抑制し、波長間の競合を抑えること
により他の一方の波長の同時発振を促すものである。こ
の方法では2波長としてCO2レーザの波長10.6μ
m帯と9.6μm帯の比較的離れた波長間では同時発振
が得られるものであるが、TEA  CO2レーザでは
各発振波長帯内の比較的近い2波長間では競合の十分な
抑制は不可能であり同時発振は得られないという問題が
あった。またレーザ利得の微少変化に対して発振タイミ
ングが変動するため固定損失量を持った損失素子では長
時間連続動作時の安定同時発振は困難であった。
[0006]J. Appl. Phys. Vol. 57
No. 7 p. 2654-2655 (1985) proposes a method of obtaining two wavelength laser beams coaxially and synchronously from a single laser medium. The laser device uses a diffraction grating to separate the optical axis of each wavelength outside the laser medium, and is configured to have a separate laser resonator for each wavelength. This method suppresses oscillation by using a loss element such as a supersaturated absorber for the wavelength placed in a laser resonator for the wavelength with a high gain coefficient, and suppresses competition between wavelengths to prevent simultaneous oscillation of one wavelength from the other. It is an encouragement. In this method, the wavelength of CO2 laser is 10.6μ as two wavelengths.
Simultaneous oscillation can be obtained between relatively distant wavelengths in the m band and 9.6 μm band, but with the TEA CO2 laser, it is impossible to sufficiently suppress competition between two relatively close wavelengths within each oscillation wavelength band. Therefore, there was a problem that simultaneous oscillation could not be obtained. Furthermore, since the oscillation timing fluctuates in response to minute changes in laser gain, stable simultaneous oscillation during long-term continuous operation is difficult with a loss element having a fixed amount of loss.

【0007】またQスイッチCO2レーザに於て単一レ
ーザ媒質から2波長同軸発振を得る方法としてProc
eedings of Internasional 
Symposium on Isotope Sepa
ration and Chemical Excha
nge Uranium Enrichment.L−
1.(1990)に回折格子による回折角の波長依存性
を利用して2波長の光軸を分離し、各々独立にレーザ共
振器を構成する装置が示されている。この方法はQスイ
ッチCO2レーザから同軸に2波長レーザ光を得るには
有効である。 しかし2波長が接近している場合は回折角の差は小さく
なり、従って2波長の光軸の分離角は小さくなる。そこ
で二つの共振器を互いに干渉せずに独立に構成するため
にはレーザ共振器の全反射鏡の直径程度まで二つの光軸
が分離されるまでレーザ光の伝搬距離を大きくする必要
があり、必然的に共振器長を長くしなければならない。 その結果、装置の大型化、レーザパルス時間幅の増加、
共振器損失の増加、共振器アライメントの不安定化・煩
雑化という問題が生じる。
[0007] Proc.
eedings of international
Symposium on Isotope Sepa
ration and Chemical Excha
nge Uranium Enrichment. L-
1. (1990) discloses an apparatus in which optical axes of two wavelengths are separated using the wavelength dependence of the diffraction angle by a diffraction grating, and each laser resonator is constructed independently. This method is effective for obtaining coaxial two-wavelength laser light from a Q-switched CO2 laser. However, when the two wavelengths are close to each other, the difference in diffraction angle becomes small, and therefore the separation angle between the optical axes of the two wavelengths becomes small. Therefore, in order to configure two resonators independently without interfering with each other, it is necessary to increase the propagation distance of the laser beam until the two optical axes are separated by the diameter of the total reflection mirror of the laser resonator. Inevitably, the resonator length must be increased. As a result, the equipment becomes larger, the laser pulse time width increases,
Problems arise in that resonator loss increases and resonator alignment becomes unstable and complicated.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、レー
ザ同位体分離などのレーザ光化学分野に於て要求される
高尖頭値出力を持つ2波長のパルスCO2レーザ光を簡
単な構成により同一のレーザ媒質空間から同一光軸上に
、同時に、且つ長時間安定に得る高い信頼性を持ったQ
スイッチCO2レーザ装置を提供することにある。
[Problems to be Solved by the Invention] An object of the present invention is to provide two wavelength pulsed CO2 laser beams with a high peak output required in the field of laser photochemistry such as laser isotope separation using a simple configuration. Highly reliable Q
An object of the present invention is to provide a switched CO2 laser device.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明は、Qスイッチに
よりパルスCO2レーザ光を発生させるための装置に於
て、単一部分透過出力鏡と互いに直交する回転軸を持つ
2つの回折格子の1次回折光を用いた複合共振器により
偏光方向が互いに直交する第一、第二の波長のレーザ光
を独立に得て、共振器内に置かれた偏光ビームスプリッ
ターにより該2波長レーザ光を合成し、単一レーザ媒質
から2波長パルスレーザ光を同一光軸上に発生させ、2
波長どちらか一方のレーザ共振器内に置かれた該波長に
対する制御可能な損失素子により該波長のレーザ光の発
振タイミングを設定し2波長同時発振を実現し、レーザ
発振動作時に第一、第二の回折格子の0次回折光により
各波長の発振タイミングを常時監視し、同時発振タイミ
ングからの誤差に対応して損失量を動的に制御すること
により長時間安定して2波長同時発振を得るQスイッチ
CO2レーザ装置である。
[Means for Solving the Problems] The present invention provides an apparatus for generating pulsed CO2 laser light using a Q-switch, in which a single partially transmitting output mirror and the primary order of two diffraction gratings having rotation axes orthogonal to each other are used. First and second wavelength laser beams whose polarization directions are orthogonal to each other are obtained independently by a composite resonator using folded light, and the two wavelength laser beams are combined by a polarizing beam splitter placed in the resonator, Two wavelength pulsed laser beams are generated on the same optical axis from a single laser medium, and two
The oscillation timing of the laser beam of the wavelength is set by a controllable loss element for the wavelength placed in the laser resonator of either wavelength, and simultaneous oscillation of two wavelengths is realized. By constantly monitoring the oscillation timing of each wavelength using the 0th order diffracted light of the diffraction grating, and dynamically controlling the amount of loss in response to the error from the simultaneous oscillation timing, the Q This is a switched CO2 laser device.

【0010】0010

【作用】以下に本発明を詳細に説明する。図2はCO2
レーザのエネルギー準位を説明するためにそのレーザ上
準位と下準位のみについて簡略化して示した摸式図であ
る。CO2分子は対称伸縮モードn1、屈曲モードn2
、非対称モードn3の3つの振動モードを有し、その振
動エネルギー準位は(n1 n2m n3 )で表され
る。CO2レーザの代表的な発振波長である10.6μ
m帯、9.6 μm帯での発振は、(0 00 1)準
位中の回転準位をレーザ上準位とし、それぞれ(1 0
0 0)、(0 20 0)準位中の回転準位への遷移
によりレーザ発振が得られる。各振動準位は多数の回転
準位を持ち多数の発振線が存在するため、回折格子等の
波長選択素子により波長を選んでレーザ発振を行うこと
ができる。ここで回転準位間の緩和速度は圧力に比例し
て大きくなる。従ってTEAレーザのように大気圧程度
のレーザガス圧力で動作するレーザに於ては、レーザパ
ルスの立ち上がり時間内に緩和が起きるため、単一波長
で発振させる際には効率のよいレーザ発振が得られるが
、同一レーザ媒質から複数の波長の発振を得ようとする
とそれぞれの回転準位間の緩和により各波長の遷移間に
競合が発生し、安定な多波長発振は得られない。一方、
本発明で使用するQスイッチCO2レーザに於ては発振
に用いられるレーザガス圧力は数10torr程度であ
る。この程度のガス圧力に於てはQスイッチレーザパル
ス幅(100 〜300ns )の時間内に回転準位緩
和は終了しないので同一CO2レーザ媒質から10.6
μm帯、9.6 μm帯の異なる発振波長帯間はもとよ
り、各発振波長帯中の比較的接近した波長間での2波長
同時発振が可能である。
[Operation] The present invention will be explained in detail below. Figure 2 shows CO2
FIG. 2 is a simplified schematic diagram showing only the upper and lower levels of the laser in order to explain the energy levels of the laser. CO2 molecules have symmetric stretching mode n1, bending mode n2
, has three vibrational modes, an asymmetric mode n3, and its vibrational energy level is expressed as (n1 n2m n3 ). 10.6μ, the typical oscillation wavelength of CO2 laser
For oscillation in the m band and 9.6 μm band, the rotation level in the (0 00 1) level is the upper laser level, and the (1 0
0 0) and (0 20 0) levels to the rotational level, laser oscillation is obtained. Since each vibrational level has a large number of rotational levels and a large number of oscillation lines, it is possible to perform laser oscillation by selecting a wavelength using a wavelength selection element such as a diffraction grating. Here, the relaxation rate between rotational levels increases in proportion to the pressure. Therefore, in a laser such as a TEA laser that operates at a laser gas pressure of about atmospheric pressure, relaxation occurs within the rise time of the laser pulse, so efficient laser oscillation can be obtained when oscillating at a single wavelength. However, when attempting to obtain oscillation of multiple wavelengths from the same laser medium, competition occurs between the transitions of each wavelength due to relaxation between the respective rotational levels, making it impossible to obtain stable multi-wavelength oscillation. on the other hand,
In the Q-switched CO2 laser used in the present invention, the laser gas pressure used for oscillation is about several tens of torr. At this level of gas pressure, the rotational level relaxation does not end within the time of the Q-switch laser pulse width (100 to 300 ns).
Simultaneous oscillation of two wavelengths is possible not only between different oscillation wavelength bands such as the μm band and 9.6 μm band, but also between relatively close wavelengths in each oscillation wavelength band.

【0011】図1は本発明の構成図である。レーザ共振
器は部分透過出力鏡2と回折格子4から成る第一の波長
のレーザ光10を発振する第一共振器、部分透過出力鏡
2、偏光ビームスプリッター6、回折格子5から成る第
二の波長のレーザ光12を発振する第二共振器から構成
される。
FIG. 1 is a block diagram of the present invention. The laser resonator includes a first resonator that oscillates a laser beam 10 of a first wavelength, which is composed of a partially transmitting output mirror 2 and a diffraction grating 4, and a second cavity that is composed of a partially transmitting output mirror 2, a polarizing beam splitter 6, and a diffraction grating 5. It is composed of a second resonator that oscillates a laser beam 12 of the same wavelength.

【0012】まず第一レーザ媒質からの同軸2波長レー
ザ光発振について説明する。回折格子4、5は格子溝に
平行な軸回りに回転することにより波長選択を行い、且
つそれぞれの回転軸は互いに直交する。回折格子は0次
から高次にわたり波長に依存する方向に光を回折する素
子である。本発明では1次回折光の共振によりレーザ発
振を得るものである。また回折格子による回折を利用し
たレーザ共振器から得られるレーザ光は格子溝に垂直な
方向に偏光する。従って回折格子4、5の1次回折光に
より共振するレーザ光10、12は互いに直交する直線
偏光になる。ここで図1に於て回折格子4、5はそれぞ
れ紙面に垂直及び平行な回転軸を持ち、よって10、1
2の偏光方向はそれぞれ紙面に平行(P波)及び垂直(
S波)となる。
First, coaxial two-wavelength laser beam oscillation from the first laser medium will be explained. Diffraction gratings 4 and 5 perform wavelength selection by rotating around axes parallel to the grating grooves, and their respective rotation axes are perpendicular to each other. A diffraction grating is an element that diffracts light in wavelength-dependent directions ranging from 0th order to higher orders. In the present invention, laser oscillation is obtained by resonance of first-order diffracted light. Further, laser light obtained from a laser resonator using diffraction by a diffraction grating is polarized in a direction perpendicular to the grating grooves. Therefore, the laser beams 10 and 12 resonated by the first-order diffracted lights of the diffraction gratings 4 and 5 become linearly polarized beams orthogonal to each other. Here, in FIG. 1, the diffraction gratings 4 and 5 have rotation axes perpendicular and parallel to the plane of the paper, respectively, so that 10 and 1
The polarization directions of 2 are parallel (P wave) and perpendicular (to the plane of the paper), respectively.
S wave).

【0013】偏光ビームスプリッター6はある特定波長
の光に対して偏光を利用して光を分離する素子であり、
薄膜偏光子(Thin Film Polarizer
 、以下TFPと呼ぶ)またグラントンプソン型、ウォ
ラストン型等の偏光プリズム等が挙げられる。CO2レ
ーザ用のTFPはZnSe基盤に薄膜コーティングを施
したものである。図3は波長9.6 μm近傍でP波に
大して高透過率を有し、S波に対して高反射率を有する
ように設計したCO2レーザ用TFPのP波に対する透
過率TP ,S波に対する反射率RSの波長依存性を示
すものである。図から明らかなように波長が0.4μm
長波長側へシフトすることによりTP は約50%に減
少するのに対し、RSはほぼ一定の高反射率を有するこ
とがわかる。従ってこのTFP及び2つの回折格子を用
いることによりレーザ光10を9.5 μm近傍で、レ
ーザ光12を0.4 μm程度の範囲内で各々独立に選
択しレーザ発振を得ることが可能であり、またレーザ媒
質1内では2波長レーザ光は同一光軸上に合成されるた
め単一レーザ媒質より同軸に2波長レーザ光が得られる
。ここでTP 、RS は98%程度でありレーザ光1
0、12の共振器に対してそれぞれ2%程度の損失を持
つことになるが、部分透過出力鏡2の透過率(30〜7
0%)に比べ充分小さい損失でありレーザ発振の障害に
はならない。更にTFPにより分離される2波長の光軸
の分離角は、TFP基板の屈折率をnとすると180 
°−2tan−1 (n)であり、CO2レーザに用い
るZnSe基板の場合、分離角は約50°となり、また
はこの角度は波長に依存しない。従って光軸を分離する
ために波長に依存した回折角を利用する方法に比べ、接
近した2波長を選択する場合でもレーザ共振器を長くし
光軸を分離する必要がなく、装置のコンパクト化が可能
である。
The polarizing beam splitter 6 is an element that separates light of a specific wavelength using polarization.
Thin Film Polarizer
, hereinafter referred to as TFP), and polarizing prisms such as Glan-Thompson type and Wollaston type. TFPs for CO2 lasers are made of a ZnSe substrate coated with a thin film. Figure 3 shows the transmittance TP for CO2 lasers and the transmittance TP for P waves and S wave It shows the wavelength dependence of the reflectance RS. As is clear from the figure, the wavelength is 0.4 μm
It can be seen that by shifting to the longer wavelength side, TP decreases to about 50%, whereas RS has an almost constant high reflectance. Therefore, by using this TFP and two diffraction gratings, it is possible to obtain laser oscillation by independently selecting the laser beam 10 in the vicinity of 9.5 μm and the laser beam 12 within the range of approximately 0.4 μm. Furthermore, since the two wavelength laser beams are combined on the same optical axis within the laser medium 1, the two wavelength laser beams can be obtained coaxially from a single laser medium. Here, TP and RS are about 98%, and the laser beam 1
There will be a loss of about 2% for the 0 and 12 resonators, but the transmittance of the partially transmitting output mirror 2 (30 to 7
The loss is sufficiently small compared to 0%) and does not interfere with laser oscillation. Furthermore, the separation angle of the optical axes of the two wavelengths separated by TFP is 180, where n is the refractive index of the TFP substrate.
.degree.-2 tan-1 (n), and for ZnSe substrates used in CO2 lasers, the separation angle is approximately 50.degree., or this angle is wavelength independent. Therefore, compared to a method that uses wavelength-dependent diffraction angles to separate the optical axes, there is no need to lengthen the laser resonator and separate the optical axes even when selecting two wavelengths that are close to each other, and the device can be made more compact. It is possible.

【0014】次に2波長レーザ光の同時発振について図
4を用いて説明する。2波長発振レーザに於て一般には
各波長のレーザ利得係数は均一ではなく、例えばCO2
レーザの9.6 μm帯の発振波長群の場合9.55μ
m(9p(20)) 近傍が最も利得係数が高くこれよ
り長いかまたは短い波長に行くにしたがい利得係数は減
少する。2波長発振QスイッチCO2レーザでは図4(
A)に示すように利得係数(G1)が大きい波長に対し
てQスイッチング時から発振開始までの遅延時間は短く
、利得係数(G2)の小さい波長に対しては長くなり、
2波長の同時発振は得られない。そこで図4(B)に示
すように利得係数の大きい発振波長に対して損失係数L
を与える損失素子を付加し、利得係数を等価にすること
により2波長同時発振を得ることが可能である。本発明
によれば図1に示すように各波長の光軸はレーザ共振器
内のレーザ媒質空間以外では偏光ビームスプリッター6
により分離されるため、第二共振器に影響を及ぼすこと
なく容易に第一共振器に損失Lを与える可変損失素子7
を付加することが可能であり2波長レーザ光の同時発振
が得られる。
Next, simultaneous oscillation of two wavelength laser beams will be explained using FIG. 4. In a two-wavelength laser, the laser gain coefficient for each wavelength is generally not uniform; for example, CO2
9.55μ for laser oscillation wavelength group in the 9.6μm band
The gain coefficient is highest near m(9p(20)) and decreases as the wavelength is longer or shorter. Figure 4 (
As shown in A), the delay time from Q switching to the start of oscillation is short for wavelengths with large gain coefficients (G1), and long for wavelengths with small gain coefficients (G2).
Simultaneous oscillation of two wavelengths cannot be obtained. Therefore, as shown in Fig. 4(B), the loss coefficient L for the oscillation wavelength with a large gain coefficient is
It is possible to obtain two-wavelength simultaneous oscillation by adding a loss element that gives . According to the present invention, as shown in FIG.
The variable loss element 7 easily gives the loss L to the first resonator without affecting the second resonator.
can be added, and simultaneous oscillation of two wavelength laser beams can be obtained.

【0015】また長時間のレーザ動作に於ては放電励起
密度の微少な変化等に起因する利得係数の変動により遅
延時間は随時変化するため、安定に2波長同時発振を得
るには各波長の発振遅延時間を常時監視し、遅延時間変
化に対応して損失量を動的に制御する必要がある。本発
明によれば回折格子4、5からの0次回折光13の強度
をCdHgTe等の光検出素子9を用いて検出すれば、
レーザ共振に影響を及ぼすことなく遅延時間の変化を監
視することが可能である。従ってデジタルオシロスコー
プ等の波形解折装置8を用いて遅延時間を監視し、2波
長同時発振時の設定遅延時間からの誤差に対応して損失
量制御装置14により可変損失素子7の損失量を随時制
御し、常に安定した2波長同時発振が可能である。損失
量の制御は特定波長の光に対して過飽和吸収を示すガス
の圧力制御により行うことが可能である。例えば波長9
.6μm帯のレーザ光に対してはフレオン21(CFC
l2H) が適当である。
Furthermore, during long-time laser operation, the delay time changes from time to time due to fluctuations in the gain coefficient caused by minute changes in the discharge excitation density, etc. Therefore, in order to obtain stable simultaneous oscillation of two wavelengths, it is necessary to It is necessary to constantly monitor the oscillation delay time and dynamically control the amount of loss in response to changes in the delay time. According to the present invention, if the intensity of the 0th order diffracted light 13 from the diffraction gratings 4 and 5 is detected using a photodetecting element 9 such as CdHgTe,
It is possible to monitor changes in delay time without affecting laser resonance. Therefore, the delay time is monitored using a waveform analyzer 8 such as a digital oscilloscope, and the loss amount of the variable loss element 7 is adjusted at any time by the loss amount control device 14 in response to the error from the set delay time when two wavelengths are oscillated simultaneously. control, and always stable simultaneous oscillation of two wavelengths is possible. The amount of loss can be controlled by controlling the pressure of a gas that exhibits supersaturated absorption for light of a specific wavelength. For example, wavelength 9
.. Freon 21 (CFC) is used for laser light in the 6 μm band.
l2H) is suitable.

【0016】なおここではCO2レーザの9.6 μm
近傍での2波長同時発振について説明したがTFPのコ
ーティングが可能な範囲でほかのCO2レーザ波長域で
の波長選択が可能であることは言うまでもない。損失制
御方法としては過飽和吸収ガスの圧力制御を挙げたが本
発明の目的には、使用するCO2レーザ波長に対して損
失量が制御可能な素子であれば良いことから、NaCl
プレート等のレーザ光透過材の回転による透過率の制御
、ファブリーペローエタロンまたは絞り等の損失素子で
あってもよい。またQスイッチCO2レーザに於て高速
スイッチング、高耐久性、及び共振器アライメントの長
時間安定性の確保の観点からQスイッチ装置としては回
転チョッパーが最も好ましいが、CdTe等の電気光学
効果を利用した素子、回転鏡等のいずれであってもよい
[0016] Here, the CO2 laser's 9.6 μm
Although the simultaneous oscillation of two wavelengths in the vicinity has been described, it goes without saying that wavelength selection in other CO2 laser wavelength ranges is possible as long as TFP coating is possible. As a loss control method, pressure control of the supersaturated absorbing gas has been mentioned, but for the purpose of the present invention, any element that can control the amount of loss for the CO2 laser wavelength used will suffice, so NaCl
The transmittance may be controlled by rotating a laser beam transmitting material such as a plate, or a loss element such as a Fabry-Perot etalon or a diaphragm may be used. In addition, in Q-switched CO2 lasers, a rotary chopper is the most preferable Q-switch device from the viewpoint of high-speed switching, high durability, and ensuring long-term stability of resonator alignment. It may be an element, a rotating mirror, or the like.

【0017】更に上記説明では2波長レーザ光を同時に
発振する場合について述べたが、本発明によれば損失制
御による発振タイミングの設定は自由に行えることから
任意に2波長レーザパルス間の時間間隔を設定し、安定
動作することも可能であることは言うまでもない。
Furthermore, in the above explanation, a case was described in which two wavelength laser beams are oscillated simultaneously, but according to the present invention, since the oscillation timing can be freely set by loss control, the time interval between two wavelength laser pulses can be set arbitrarily. Needless to say, it is also possible to set up and operate stably.

【0018】[0018]

【実施例】図1は本発明に係る2波長同時発振Qスイッ
チCO2レーザ装置の一実施例である。部分透過出力鏡
2、回折格子4から成る第一共振器は波長9.55μm
(9P(20))のレーザ光10がP偏光発振するよう
に、また部分透過出力鏡2、偏光ビームスプリッター6
、回折格子5から成る第二共振器は波長9.62μm(
9P(28)) のレーザ光12がS偏光発振するよう
にそれぞれ調整され、共振器長はそれぞれ150cmで
ある。また発振タイミングを同時にするため利得係数の
大きいレーザ光10を発振する第一共振器内には可変損
失制御素子7として圧力制御可能な過飽和吸収ガスフレ
オン21が封入された容器が置かれている。回折格子4
、5は150本/mmでブレーズされており、また波長
選択のための回転軸は互いに直交している。また偏光ビ
ームスプリッター6としてのTFPは波長9.55μm
に於てP波に対する透過率TP は98.0%、S波に
対する反射率RS は98.5%である。ここでRS 
に関しては0.4 μm程度波長がシフトしてもほぼ同
じ値を有することから、波長9.62μmに於ても98
.5%の高反射率を有する。部分透過出力鏡2は曲率半
径10mの凹面鏡であり、その透過率は各波長に於て3
0%である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 shows an embodiment of a two-wavelength simultaneous oscillation Q-switched CO2 laser device according to the present invention. The first resonator consisting of a partially transmitting output mirror 2 and a diffraction grating 4 has a wavelength of 9.55 μm.
(9P(20)) so that the laser beam 10 oscillates as P-polarized light.
, the second resonator consisting of the diffraction grating 5 has a wavelength of 9.62 μm (
9P(28)) laser beams 12 are adjusted to oscillate as S-polarized light, and the resonator length is 150 cm. Further, in order to synchronize the oscillation timing, a container in which a supersaturated absorbing gas Freon 21 whose pressure can be controlled is sealed is placed as a variable loss control element 7 in the first resonator which oscillates the laser beam 10 having a large gain coefficient. Diffraction grating 4
, 5 are blazed at 150 lines/mm, and the rotation axes for wavelength selection are orthogonal to each other. In addition, the TFP as the polarizing beam splitter 6 has a wavelength of 9.55 μm.
The transmittance TP for P waves is 98.0%, and the reflectance RS for S waves is 98.5%. RS here
98 has almost the same value even if the wavelength is shifted by about 0.4 μm, so even at a wavelength of 9.62 μm, 98
.. It has a high reflectance of 5%. The partially transmitting output mirror 2 is a concave mirror with a radius of curvature of 10 m, and its transmittance is 3 at each wavelength.
It is 0%.

【0019】レーザ媒質1はガラスチューブにCO2:
N2:Heの混合レーザガスを全圧90torrで封入
したものであり、レーザ媒質長は50cmである。レー
ザガスは図示されていないルーツブローワーにより20
0m/sの線速度でレーザ光軸方向に高速循環されてい
る。またレーザ媒質と外気とは発振波長に対して無反射
コーティングされたZnSe窓により遮断されている。 励起方式として高周波放電を使用し且つQスイッチのタ
イミングに同期してパルス変調を行っている。パルスの
最大繰り返し周波数は10kHz である。
Laser medium 1 is CO2 in a glass tube:
A mixed laser gas of N2:He is sealed at a total pressure of 90 torr, and the laser medium length is 50 cm. The laser gas is supplied by a roots blower (not shown) at 20
It is circulated at high speed in the direction of the laser optical axis at a linear velocity of 0 m/s. Further, the laser medium and the outside air are shielded from each other by a ZnSe window coated with anti-reflection coating for the oscillation wavelength. High-frequency discharge is used as the excitation method, and pulse modulation is performed in synchronization with the timing of the Q switch. The maximum repetition frequency of the pulses is 10kHz.

【0020】Qスイッチ装置3は回転チョッパーである
。回転チョッパーはアルミ円盤の周上に幅2mmのスリ
ットを12個有し、最大回転速度70,000rpm 
で高速回転するものである。また高速Qスイッチングを
行うために共焦点テレスコープ16を設けその焦点位置
でレーザ光のチョッピングをすることでQスイッチング
を行っている。
The Q-switch device 3 is a rotary chopper. The rotary chopper has 12 slits with a width of 2 mm on the circumference of an aluminum disk, and has a maximum rotation speed of 70,000 rpm.
It rotates at high speed. Further, in order to perform high-speed Q-switching, a confocal telescope 16 is provided, and Q-switching is performed by chopping the laser beam at its focal position.

【0021】各波長のパルス時間波形は光検出素子9と
してCdHgTeを用いて0次回折光11、13を検出
し、回転チョッパーからのモニター信号を掃引トリガー
とするデジタルオシロスコープ8で観測されている。損
失量制御装置14はデジタルオシロスコープの信号を基
にQスイッチングから発振開始まで遅延時間を検出し、
レーザ光12の発振開始にレーザ光が同時に発振するよ
うに可変損失素子を制御するものである。可変損失素子
7としての過飽和吸収ガスフレオン21は波長9.6 
μm帯の光に対して無反射コーティングされたZnSe
窓を有するガラス容器(容器長5mm)に圧力10〜3
0torrで封入されている。また損失制御装置14か
らの電気信号で制御される圧力調整バルブ15によりガ
スの圧力は0.1torr の精度で制御される。
The pulse time waveform of each wavelength is observed using a digital oscilloscope 8 using CdHgTe as the photodetector element 9 to detect the 0th order diffracted lights 11 and 13, and using a monitor signal from a rotating chopper as a sweep trigger. The loss amount control device 14 detects the delay time from Q switching to the start of oscillation based on the signal from the digital oscilloscope.
The variable loss element is controlled so that the laser beam oscillates at the same time as the laser beam 12 starts oscillating. The supersaturated absorbing gas freon 21 as the variable loss element 7 has a wavelength of 9.6
ZnSe coated with anti-reflection for μm band light
Pressure 10 to 3 in a glass container with a window (container length 5 mm)
It is sealed at 0 torr. Further, the pressure of the gas is controlled with an accuracy of 0.1 torr by a pressure regulating valve 15 controlled by an electric signal from the loss control device 14.

【0022】以上の装置を用いて波長9.55μm、9
.62μmの2波長レーザ光同時発振を行ったところ、
全エネルギー30mJ、それぞれパルス時間値幅200
nsの2波長レーザ光が8時間以上安定に得られた。
Using the above device, the wavelength of 9.55 μm, 9
.. When simultaneous oscillation of 62 μm two-wavelength laser light was performed,
Total energy 30mJ, each pulse time value width 200
ns two-wavelength laser light was stably obtained for more than 8 hours.

【0023】[0023]

【発明の効果】以上説明したように本発明によればQス
イッチCO2レーザに於て、コンパクトな装置構成のも
とに、単一レーザ媒質から同一光軸上に各々独立に波長
可変な2波長レーザ光を同時に長時間安定して得るとい
う利点を有する。
As explained above, according to the present invention, in a Q-switched CO2 laser, two independently variable wavelengths can be generated on the same optical axis from a single laser medium using a compact device configuration. It has the advantage that laser light can be stably obtained for a long time at the same time.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

【図1】本発明を示す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram showing the present invention.

【図2】CO2レーザのエネルギー準位の模式図である
FIG. 2 is a schematic diagram of energy levels of a CO2 laser.

【図3】波長9.6 μm帯用TFPのP波、S波に対
する透過率TP 、反射率RS の波長依存性である。
FIG. 3 shows the wavelength dependence of the transmittance TP and the reflectance RS for P waves and S waves of a TFP for a wavelength band of 9.6 μm.

【図4】2波長発振タイミングの説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of two-wavelength oscillation timing.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1  CO2レーザ媒質 2  レーザ共振器の部分透過出力鏡 3  Qスイッチ装置 4、5  回折格子 6  偏光ビームスプリッター(TFP)7  可変損
失素子 8  レーザパルス波形解析装置 9  光検出素子 10  1次回折光により共振する第一の波長のレーザ
光(P偏光) 11  第一の波長のレーザ光の0次回折光12  1
次回折光により共振する第二の波長のレーザ光(S偏光
) 13  第二の波長のレーザ光の0次回折光14  損
失量制御装置 15  圧力制御バルブ 16  テレスコープ
1 CO2 laser medium 2 Partial transmission output mirror of laser resonator 3 Q switch device 4, 5 Diffraction grating 6 Polarization beam splitter (TFP) 7 Variable loss element 8 Laser pulse waveform analyzer 9 Photodetection element 10 Resonates with first-order diffracted light Laser light of first wavelength (P polarized light) 11 0th order diffracted light of laser light of first wavelength 12 1
Laser light of the second wavelength (S polarized light) that resonates with the diffracted light of the second wavelength 13 Zero-order diffracted light of the laser light of the second wavelength 14 Loss control device 15 Pressure control valve 16 Telescope

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  Qスイッチによりパルスレーザ光を取
り出すCO2レーザ装置に於て、部分透過出力鏡と第一
の回折格子から成る第一の波長で発振する第一レーザ共
振器と、第一レーザ共振器の出力鏡と第一の回折格子の
回転軸と直交する回転軸を持つ第二の回折格子から成る
第二の波長で発振する第二レーザ共振器と、第一、第二
の波長のレーザ光を同軸に合成する偏光ビームスプリッ
ターと、第一、第二の波長のレーザ光が同軸に合成され
ているレーザ共振器内の任意の場所に置かれた一つのQ
スイッチ装置で構成され、単一励起空間から2波長レー
ザ光を同軸状に得ることを特徴とする2波長発振Qスイ
ッチCO2レーザ装置。
Claim 1: In a CO2 laser device that extracts pulsed laser light using a Q switch, a first laser resonator that oscillates at a first wavelength and includes a partially transmitting output mirror and a first diffraction grating; a second laser resonator that oscillates at a second wavelength, which is composed of an output mirror of the device and a second diffraction grating having a rotation axis perpendicular to the rotation axis of the first diffraction grating, and lasers at the first and second wavelengths. A polarizing beam splitter that coaxially combines light and one Q placed anywhere within the laser resonator that coaxially combines laser beams of the first and second wavelengths.
A two-wavelength oscillation Q-switched CO2 laser device comprising a switch device and coaxially obtaining two-wavelength laser light from a single excitation space.
【請求項2】  第一、第二のどちらか一方のレーザ共
振器内に該波長に於けるレーザ遷移に対して損失を与え
、且つ損失量が制御可能である損失制御素子を融資、Q
スイッチ解放時から第一、第二の波長各々のレーザ発振
開始迄の遅延時間を同じ値に設定し、同時に2波長レー
ザ光を得ることを特徴とする請求項1記載の2波長発振
QスイッチCO2レーザ装置。
[Claim 2] A loss control element is provided in either the first or second laser resonator to provide a loss to the laser transition at the wavelength, and the amount of loss can be controlled.
2. The dual-wavelength oscillation Q-switch CO2 according to claim 1, wherein the delay time from when the switch is released to the start of laser oscillation for each of the first and second wavelengths is set to the same value to obtain two wavelength laser beams at the same time. laser equipment.
【請求項3】  第一、第二レーザ共振器に於て、回折
格子の1次回折光によりレーザ発振を行い、0次回折光
によりQスイッチ解放時から各々のレーザ発振開始迄の
遅延時間を各々独立の光検出素子により常時検出し、2
波長同時発振を得るための遅延時間設定値からの誤差に
対応して請求項2記載の損失制御素子の損失量を随時変
化させることにより、常に2波長レーザ光を同時に得る
ことを特徴とする請求項1記載の2波長レーザ発振Qス
イッチCO2レーザ装置。
3. In the first and second laser resonators, laser oscillation is performed using the first-order diffracted light of the diffraction grating, and the delay time from the time the Q switch is released to the start of each laser oscillation is independently determined by the zero-order diffracted light. It is constantly detected by the photodetecting element of 2
A claim characterized in that two wavelength laser beams are always obtained simultaneously by changing the amount of loss of the loss control element according to claim 2 as needed in response to an error from a delay time setting value for obtaining wavelength simultaneous oscillation. 2. The two-wavelength laser oscillation Q-switched CO2 laser device according to item 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2008529068A (en) * 2005-01-24 2008-07-31 ソルラブス、 インコーポレイテッド Compact multimode laser that scans wavelength at high speed
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