DE112009001295B4

DE112009001295B4 - Laserlichtquelle mit einem räumlichen Lichtmodulator

Info

Publication number: DE112009001295B4
Application number: DE112009001295.7T
Authority: DE
Inventors: Taro Ando; Haruyasu Ito; Yoshiyuki Ohtake; Takashi Inoue; Naoya Matsumoto; Norihiro Fukuchi
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2008-05-29
Filing date: 2009-05-21
Publication date: 2016-03-03
Anticipated expiration: 2029-05-22
Also published as: US20110064113A1; WO2009145107A1; JP4871326B2; JP2009289991A; DE112009001295T5; US8295321B2

Abstract

Laserlichtquelle (1–4), die umfasst: einen Hauptresonator, der derart konfiguriert ist, dass ein erster Reflexionsspiegel (11, 11A, 11B) und ein Ausgabespiegel (14) einander gegenüberliegend mit dazwischen einem Lasermedium (12) angeordnet sind, und einen externen Resonator, der derart konfiguriert ist, dass der Ausgabespiegel (14) und ein zweiter Reflexionsspiegel (17) einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei der externe Resonator über den Ausgabespiegel (14) optisch mit dem Hauptresonator gekoppelt ist, wobei der zweite Reflexionsspiegel (17) derart als räumlicher Lichtmodulator konfiguriert ist, dass er eine transversale Mode einstellt, indem er Amplituden- oder Phasenvariationen an entsprechenden Positionen in dem Querschnitt des Lichtstrahls einbringt, wenn das Licht reflektiert wird, und wobei die Laserlichtquelle (1–4) weiter umfasst: eine Antriebseinheit (51) zum Ansteuern des räumlichen Lichtmodulators des zweiten Reflexionsspiegels (17), und eine Steuereinheit (52) zur Steuerung der Amplituden- oder Phasenverteilung des Strahlprofils mittels der Antriebseinheit (51).

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserlichtquelle.
Stand der Technik
In einer Laserlichtquelle, die mit einem Laserresonator ausgestattet ist, der derart konfiguriert ist, dass ein Reflexionsspiegel und ein Ausgabespiegel einander gegenüberliegend mit dazwischen einem Lasermedium angeordnet sind, wird ein induziertes Emissionslicht, das aus einem erregten Lasermedium emittiert wird, durch den Reflexionsspiegel reflektiert, wobei ein Teil des induzierten Emissionslichts durch den Ausgangsspiegel hindurchgeht und der restliche Teil durch denselben reflektiert wird. Eine Laseroszillation wird durch eine Hin- und Herbewegung des induzierten Emissionslichts zwischen dem Reflexionsspiegel und dem Ausgangsspiegel erzeugt. Das Laseroszillationslicht, das durch den Ausgangsspiegel hindurchgeht und nach außen ausgegeben wird, ist allgemein derart beschaffen, dass einige transversale Moden auf dasselbe überlappt sind.
Je nach der Nutzung können jedoch Fälle auftreten, in denen das Laseroszillationslicht aus der Laserlichtquelle nur dem fundamentalen Modus als der transversalen Mode unterworfen wird, oder können Fälle auftreten, in denen das Laseroszillationslicht nur einer anderen spezifischen transversalen Mode unterworfen wird.
Die in dem Patentdokument 1 angegebene Erfindung ermöglicht, dass das Laseroszillationslicht einer spezifischen transversalen Mode wahlweise aus einem Laserresonator ausgegeben wird. Die in der vorliegenden Anmeldung beschriebene Laserlichtquelle ist mit einem diskontinuierlichen Phasenelement an dem Resonanzlichtpfad in dem Laserresonator versehen. Das diskontinuierliche Phasenelement sieht Phasenvariationen für entsprechende Positionen in dem Querschnitt eines Lichtstrahls für das induzierte Emissionslicht vor, das sich in dem Laserresonator hin und her bewegt. Das diskontinuierliche Phasenelement weist eine Dickenverteilung auf und sieht eine Phasenvariationsverteilung in Entsprechung zu der Dickenverteilung für das induzierte Emissionslicht vor, wodurch die transversale Mode des Lasersoszillationslichts bestimmt wird.
Die DE 698 28 040 T2 offenbart optische Resonatoren mit diskontinuierlichen Phasenbauelementen, um den Ausgangsstrahl zu verbessern.
Die US 2006/0182154 A1 offenbart ein Verfahren zur Steuerung der Laseroszillation von gepulsten Lasern bzw. Lasersystemen, bei dem mittels eines Spiegels mit variabler Reflektivität das Verhältnis zwischen einem CW- und einem gepulstem Anteil des Laserlichts gesteuert wird.
Die JP H03-046286 A offenbart einen Laseroszillator, bei dem ein Endspiegel als räumlicher Lichtmodulator ausgebildet ist, um Ungleichmäßigkeiten der ausgegebenen Lichtstrahlen zu korrigieren.
Referenzen
Patentliteratur

Patentdokument 1: japanische Offenlegungsschrift JP 2001-523396 A

Zusammenfassung der Erfindung
Problemstellung
Weil in der Laserlichtquelle des Patentdokuments 1 die durch das diskontinuierliche Phasenelement gegebene Phasenvariationsverteilung für das induzierte Emissionslicht fixiert ist, ist eine dynamische Steuerung der transversalen Mode des Laseroszillationslichts unmöglich. Weil also die Phasenvariationsverteilung für das induzierte Laserlicht nicht eingestellt werden kann, können Fälle auftreten, in denen das Laseroszillationslicht einer spezifischen transversalen Mode nicht effizient erhalten werden kann. Und es muss ein diskontinuierliches Phasenelement, das in den Laserresonator eingesetzt ist, ersetzt werden, um die transversale Mode des Laseroszillationslichts zu ändern, wobei es jedoch allgemein nicht einfach ist, dasselbe zu ersetzen, weil eine feine optische Neueinstellung nach dem Ersetzen des Elements durchgeführt werden muss.
Die vorliegende Erfindung bezweckt, die vorstehend geschilderten Probleme zu lösen, wobei es eine Aufgabe der Erfindung ist, eine Laserlichtquelle anzugeben, mit welcher die transversale Mode des Laseroszillationslichts einfach gesteuert werden kann.
Problemlösung
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung eine Laserlichtquelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereit.
Weil in der Laserlichtquelle gemäß der Erfindung mit dem zweiten Reflexionsspiegel die Amplituden- oder Phasenvariationen an entsprechenden Positionen in dem Querschnitt des Lichtstrahls eingebracht werden, wird die transversale Mode des effizient in dem Hauptresonator und dem externen Resonator der Laserlichtquelle erzeugten induzierten Emissionslichts bestimmt und das Laseroszillationslicht der transversalen Mode nach außen ausgegeben.
Vorteile der Erfindung
In der Laserlichtquelle gemäß der vorliegenden Erfindung kann die transversale Mode des Laseroszillationslichts einfach gesteuert werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Diagramm einer Laserlichtquelle 1 gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 ist ein Diagramm, das jeweils Beispiele für die Lichtstrahlenmuster des HG-Moduslichts und des LG-Moduslichts zeigt.
3 ist ein Diagramm, das Beispiele einer Phasenvariationsverteilung in einem zweiten Reflexionsspiegel 17 in der Laserlichtquelle 1 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Phasenvariationsverteilung in einem Verlustbereich der Phasenvariationsverteilung in dem zweiten Reflexionsspiegel 17 in der Laserlichtquelle 1 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
5 ist ein Diagramm, das andere Beispiele der Phasenvariationsverteilung in dem Verlustbereich der Phasenvariationsverteilung in dem zweiten Reflexionsspiegel 17 in der Laserlichtquelle 1 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
6 ist ein Diagramm, das andere Beispiele der Phasenvariationsverteilung in dem zweiten Reflexionsspiegel 17 in der Laserlichtquelle 1 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
7 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für ein Lichtintensitätsprofil des Laseroszillationslichts 31 aus der Laserlichtquelle 1 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
8 ist ein schematisches Diagramm, das eine Laserlichtquelle 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.
9 ist ein Diagramm, das Beispiele einer Phasenvariationsverteilung in einem zweiten Reflexionsspiegel 17 in der Laserlichtquelle 2 gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt.
10 ist ein Diagramm, das den Betrieb der Laserlichtquelle 2 gemäß der zweiten Ausführungsform beschreibt.
11 ist ein Konfigurationsdiagramm einer Laserlichtquelle 3 gemäß einer dritten Ausführungsform.
12 ist ein Konfigurationsdiagramm einer Laserlichtquelle 4 gemäß einer vierten Ausführungsform.
Beschreibung der Ausführungsformen
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Dabei werden einander entsprechende Elemente durchgehend durch gleiche Bezugszeichen angegeben, wobei auf eine wiederholte Beschreibung der einander entsprechenden Elemente verzichtet wird.
(Erste Ausführungsform)
1 ist ein schematisches Diagramm einer Laserlichtquelle 1 gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Laserlichtquelle 1 ist in dieser Figur mit einem ersten Reflexionsspiegel 11, einem Lasermedium 12, einer Blende 13, einem Ausgabespiegel 14, einem Halbspiegel 15, einer Lichtstrahldurchmesser-Einstelleinrichtung 16 und einem zweiten Reflexionsspiegel 17 gezeigt und gibt ein durch den Halbspiegel 15 reflektiertes Laseroszillationslicht 31 nach außen aus.
Der Hauptresonator ist derart konfiguriert, dass der ersten Reflexionsspiegel 11 und der Ausgabespiegel 14 einander gegenüberliegend mit dazwischen dem Lasermedium 12 angeordnet ist. Weiterhin ist der externe Resonator derart konfiguriert, dass der Ausgabespiegel 14 und der zweite Reflexionsspiegel 17 einander gegenüberliegend angeordnet sind. Der externe Resonator und der Hauptresonator sind über den Ausgabespiegel 14 optisch miteinander gekoppelt.
Das Lasermedium 12 wird zu einem höheren Energiepegel erregt, indem eine Erregungsenergie zugeführt wird, und emittiert Licht, wenn es von dem höheren Energiepegel zu einem niedrigeren Energiepegel übergeht. Das Lasermedium 12 kann ein Gas wie etwa ein Ar-Gas, He-Ne-Gas, CO₂-Gas usw. sein, kann eine Flüssigkeit wie etwa organisches Lösungsmittel mit einem darin enthaltenen farbigen Molekül sein, kann eine feste Substanz wie etwa Nd:YAG sein oder kann eine Laserdiode sein.
Der erste Reflexionsspiegel 11 muss einen hohen Reflexionsgrad bei der Wellenlänge des Laseroszillationslichts 31 aufweisen. Um die Laseroszillation effizient zu erzeugen, ist die Reflexionsfläche des ersten Reflexionsspiegel 11 vorzugsweise als eine konkave Fläche mit einer spezifischen Krümmung (zum Beispiel 15 m) ausgebildet. Der Ausgabespiegel 14 sendet einen Teil des einfallenden Lichts und reflektiert den restlichen Teil.
Der zweite Reflexionsspiegel 17 muss einen hohen Reflexionsgrad bei der Wellenlänge des Laseroszillationslichts 31 aufweisen. Der zweite Reflexionsspiegel 17 ist derart konfiguriert, dass er Amplituden- oder Phasenvariationen in Reaktion auf entsprechende Positionen in dem Querschnitt eines Lichtstrahls gibt, wenn das Licht reflektiert wird, wobei der zweite Reflexionsspiegel eine Amplituden- oder Phasenvariationsverteilung vorsieht und die transversale Mode des Laseroszillationslichts 31 auf der Basis der Amplituden- oder Phasenvariationsverteilung bestimmt. In dem zweiten Reflexionsspiegel 17 kann die vorgesehene Amplituden- oder Phasenvariationsverteilung fixiert sein, wobei die Amplituden- oder Phasenvariationsverteilung jedoch vorzugsweise in Übereinstimmung mit einer Steuerung von außen vorgesehen wird.
Der zweite Reflexionsspiegel 17 kann ein Raumlichtmodulator (nachfolgend als „SLM” (Spatial Light Modulator) bezeichnet) sein, der die Amplitude oder die Phase des einfallenden Lichts räumlich moduliert und das einfallende Licht reflektiert. Es kann sich aber auch um einen verformbaren Spiegel des Segmenttyps oder ein MEMS-Element handeln, das die Phase des einfallenden Lichts moduliert und das einfallende Licht reflektiert. Weiterhin ist der zweite Reflexionsspiegel 17 vorzugsweise ein SLM des LCOS-Typs (LCOS = Liquid Crystal an Silicon).
Der SLM des LCOS-Typs weist Eigenschaften wie etwa einen hohen Reflexionsgrad, eine hohe Phasenmodulationsrate, eine kleine Größe usw. auf, moduliert die Phase des einfallenden Lichts räumlich und reflektiert das einfallende Licht. Außerdem ist die Reflexionsfläche des zweiten Reflexionsspiegels 17 vorzugsweise für die Reflexion beschichtet, sodass sie einen hohen Reflexionsgrad in Bezug auf die Wellenlänge des Laseroszillationslichts 31 aufweist, wodurch ein Reflexionsgrad von ungefähr 90% vorgesehen werden kann. Die nachfolgende Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen nimmt auf einen zweiten Reflexionsspiegel 17 Bezug, der ein SLM des LCOS-Typs ist.
Wenn der zweite Reflexionsspiegel 17 wie schematisch in 1 gezeigt eine Amplituden- oder Phasenvariationsverteilung in Übereinstimmung mit einer Steuerung von außen vorsieht, sind eine Antriebseinheit 51 zum Ansteuern des zweiten Reflexionsspiegel 17 und eine Steuereinheit 52 zum Steuern der Amplituden- oder Phasenvariationsverteilung in dem zweiten Reflexionsspiegel 17 über die Antriebseinheit 51 vorgesehen. Die Steuereinheit 52 ist zum Beispiel ein PC.
Der Halbspiegel 15 ist an dem Lichtpfad in dem externen Resonator vorgesehen, lässt einen Teil des einfallenden Lichts durch und reflektiert den restlichen Teil. Das reflektierte Licht wird zu einem Laseroszillationslicht 31, das von der Laserlichtquelle 1 ausgegeben wird.
Vorzugsweise ist die Lichtstrahldurchmesser-Einstellungseinrichtung 16 an dem Resonanzlichtpfad in dem Hauptresonator oder in dem externen Resonator vorgesehen. Die Lichtstrahldurchmesser-Einstelleinrichtung 16 stellt den Strahldurchmesser des auf den zweiten Reflexionsspiegel 17 einfallenden Lichts ein, wobei die Einstelleinrichtung zum Beispiel zwei Linsen umfasst und an dem Lichtpfad zwischen dem Halbspiegel 15 und dem zweiten Reflexionsspiegel 17 installiert ist. Die Lichtstrahldurchmesser-Einstelleinrichtung 16 vergrößert den Lichtstrahldurchmesser an dem Lichtpfad zwischen der Lichtstrahldurchmesser-Einstelleinrichtung 16 und dem zweiten Reflexionsspiegel 17 in Vergleich zu dem Lichtstrahldurchmesser an dem Lichtpfad zwischen dem Ausgabespiegel 14 und der Lichtstrahldurchmesser-Einstelleinrichtung 16. Weil die Lichtstrahldurchmesser-Einstelleinrichtung 16 vorgesehen ist, kann das Licht in einem Bereich einfallen, in dem die Phase in dem zweiten Reflexionsspiegel 17 moduliert werden kann, sodass der Bereich, in dem die Phase moduliert werden kann, effektiv genutzt wird. Wenn die Auflösung des zweiten Reflexionsspiegels 17 ausreicht, um eine gewünschte transversale Mode zu erzeugen, ist die Lichtstrahldurchmesser-Einstelleinrichtung 16 nicht erforderlich.
Außerdem ist die Blende 13 vorzugsweise an dem Resonanzlichtpfad in dem Hauptresonator oder in dem externen Resonator vorgesehen. Die Blende 13 beschränkt den Strahldurchmesser des auf den zweiten Reflexionsspiegel 17 einfallenden Lichts und ist zum Beispiel an dem Lichtpfad zwischen dem Lasermedium 12 und dem Ausgabespiegel 14 vorgesehen. Die Blende 13 verhindert eine Erzeugung eines nicht gewünschten und unnötigen Lichts einer transversalen Mode. Und wenn es nicht erforderlich ist, eine Erzeugung eines nicht gewünschten Lichts einer transversalen Mode zu verhindern, kann auch auf die Blende 13 verzichtet werden.
Im Folgenden wird der Betrieb der Laserlichtquelle 1 erläutert. Wenn eine Erregungsenergie zu dem Lasermedium 12 geführt wird, wird das Lasermedium 12 zu dem höheren Energiepegel erregt, wobei dann beim Übergang von dem höheren Energiepegel zu dem niedrigeren Energiepegel Licht von dem Lasermedium 12 emittiert wird. Während das von dem Lasermedium 12 emittierte Licht durch den ersten Reflexionsspiegel 11 reflektiert wird, wird ein Teil des Lichts durch den Ausgabespiegel 14 hindurchgelassen und wird der restliche Teil reflektiert. Indem das Licht zwischen dem ersten Reflexionsspiegel 11 und dem Ausgabespiegel 14 hin und her geht, interagiert das Licht mit dem Lasermedium 12 und wird das induzierte Emissionslicht durch das Lasermedium 12 erzeugt.
Das induzierte Emissionslicht, das durch den Ausgabespiegel 14 aus dem Inneren des Hauptresonators hindurchgelassen und in den externen Resonator eingegeben wird, geht zwischen dem Ausgabespiegel 14 und dem zweiten Reflexionsspiegel 17 hin und her, wobei ein Teil des induzierten Emissionslichts durch den Ausgabespiegel 14 hindurchgelassen wird und in den Hauptresonator eingeht und ein anderer Teil durch den Halbspiegel 15 reflektiert und als Laseroszillationslicht 31 nach außen ausgegeben wird.
Außerdem wird der Strahldurchmesser des auf den zweiten Reflexionsspiegel 17 einfallenden Lichts in dem externen Resonator durch die Lichtstrahldurchmesser-Einstelleinrichtung 16 vergrößert, wobei der Strahldurchmesser dann durch die Blende 13 beschränkt wird. In dem zweiten Reflexionsspiegel 17 wird die Amplituden- oder Phasenvariationsverteilung vorgesehen. Wenn dann das auf den zweiten Reflexionsspiegel 17 einfallende Licht durch den zweiten Reflexionsspiegel 17 reflektiert wird, werden Amplituden- oder Phasenvariationsgrößen in Reaktion auf entsprechende Positionen in dem Querschnitt des Lichtstrahls zu dem reflektierten Licht gegeben. Und wenn der zweite Reflexionsspiegel 17 ein SLM des LCOS-Typs ist, werden Phasenvariationsgrößen in Reaktion auf entsprechende Positionen in dem Querschnitt des Lichtstrahls zu dem reflektierten Licht gegeben. Dann wird die transversale Mode des Laseroszillationslichts 31 auf der Basis der Variationsverteilung bestimmt.
In der Laserlichtquelle 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist der externe Resonator mit der wählbaren transversalen Mode und der oben beschrieben Konfiguration mit dem Hauptresonator in Bezug auf den Raummodus gekoppelt. Die Kopplung wird derart bewerkstelligt, dass der Strahlabfall des induzierten Emissionslichts in dem Hauptresonator ungefähr an der Position des Ausgangsspiegels 14 platziert wird. Zum Beispiel ist der erste Reflexionsspiegel 11 als ein konkaver Spiegel ausgebildet, wobei die Distanz zwischen dem ersten Reflexionsspiegel 11 und dem Ausgabespiegel 14 im wesentlichen gleich dem Krümmungsradius der konkaven Fläche des ersten Reflexionsspiegels 11 vorgesehen werden kann. Daraus resultiert, dass die transversale Mode in dem Hauptresonator gleich der in dem externen Modus gewählten transversalen Mode wird und das Laseroszillationslicht 31 mit der gewünschten transversalen Mode aus der gesamten Laserlichtquelle 1 erhalten wird.
Vorzugsweise sieht der zweite Reflexionsspiegel 17 die Amplituden- oder Phasenvariationsverteilung vor, um zu veranlassen, dass das Laguerre-Gauß-Modus-Licht (nachfolgend als „LG-Modus-Licht” bezeichnet) einer Laseroszillation unterworfen wird. Und vorzugsweise sieht der zweite Reflexionsspiegel auch die Amplituden- oder Phasenvariationsverteilung vor, damit das Hermite-Gauß-Modus-Licht (nachfolgend als „HG-Modus-Licht” bezeichnet) einer Laseroszillation unterworfen wird. Der LG-Modus und der HG-Modus sind jeweils Beispiele für die transversale Mode, der ein Elektrofeld-Amplitudenmuster des Lichts an dem Lichtstrahlquerschnitt senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Lichts ist.
Der LG-Modus ist eine transversale Mode des Laseroszillationslichts, der häufig auftritt, wenn die Querschnittform des Lasermediums 12 kreisförmig ist, und wird durch einen Radialindex p und einen Winkelindex k spezifiziert. Im Folgenden wird der LG-Modus, in dem der Radialindex p ist und der Winkelindex k ist, als LG(p, k) ausgedrückt. Dagegen ist der HG-Modus eine transversale Mode des Laseroszillationslichts, der häufig beobachtet werden kann, wenn die Querschnittform des Lasermediums 12 rechteckig ist, und wird durch die zwei Indizes n und m spezifiziert. Im Folgenden wird der HG-Modus der Indizes n und m als HG(n, m) ausgedrückt.
2 ist ein Diagramm, das Beispiele für Lichtstrahlmuster des HG-Modus-Lichts und des LG-Modus-Lichts zeigt. In dieser Figur sind Lichtstrahlmuster der entsprechenden transversalen Moden von HG(0, 0), HG(1, 0), HG(2, 0), HG(1, 1), HG(2, 1) und HG(2, 2) als HG-Modus gezeigt. Außerdem sind Lichtstrahlmuster der entsprechenden transversalen Moden von LG(0, 0), LG(0, 1) LG(0, 2), LG(1, 0), LG(1, 1) und LG(2, 0) als LG-Modus gezeigt.
3 ist ein Diagramm, das Beispiele der für den zweiten Reflexionsspiegel 17 vorgesehenen Phasenvariationsverteilung in der Laserlichtquelle 1 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. In 3(a) bis 3(c) ist jeweils die Größe (0 bis 2π) der Phasenvariation an entsprechenden Positionen auf der Reflexionsfläche des zweiten Reflexionsspiegels 17 durch eine variierende Dichte wiedergegeben.
In 3(a) und 3(b) sind die in dem zweiten Reflexionsspiegel 17 vorgesehenen Phasenvariationsverteilungen gezeigt, die veranlassen, dass das HG-Modus-Licht einer Laseroszillation unterworfen wird. 3(a) zeigt die Phasenvariationsverteilung, die veranlasst, dass das HG(1, 2)-Modus-Licht einer Laseroszillation unterworfen wird. Und 3(b) zeigt die Phasenvariationsverteilung, die veranlasst, dass das HG(2, 2)-Modus-Licht einer Laseroszillation unterworfen wird.
In 3(c) wird die Phasenvariationsverteilung in dem zweiten Reflexionsspiegel 17 gezeigt, die veranlasst, dass das LG-Modus-Licht einer Laseroszillation unterworfen wird. Insbesondere zeigt 3(c) die Phasenvariationsverteilung, die veranlasst, dass das LG(3, 0)-Modus-Licht einer Laseroszillation unterworfen wird.
Die in dem zweiten Reflexionsspiegel 17 vorgesehene Phasenvariationsverteilung für das HG-Modus-Licht unterscheidet sich von derjenigen für das LG-Modus-Licht. Wenn der Index n oder der Index m anders ist, ist auch bei dem HG-Modus-Licht die Phasenvariationsverteilung in dem zweiten Reflexionsspiegel 17 anders. Und wenn der Radialindex p oder der Winkelindex k anders ist, ist auch bei dem LG-Modus-Licht die in dem zweiten Reflexionsspiegel 17 vorgesehene Phasenvariationsverteilung anders.
Allerdings ist es sowohl bei dem HG(n, m)-Modus-Licht als auch bei dem LG(p, k)-Modus-Licht üblich, dass unabhängig von den Indizes eine Phasenvariationsverteilung, die einen Verlust des Lichts bewirkt, in einem vorbestimmten Bereich verwendet wird, der einen Knoten enthält, an dem die Lichtintensität in der einer Oszillation zu unterwerfenden transversalen Mode (nachfolgend als „Verlustbereich” bezeichnet) gleich null wird, während weiterhin eine Phasenvariationsverteilung, durch die Licht mit einem hohen Reflexionsgrad reflektiert wird, in einem anderen Bereich als dem oben beschriebenen Verlustbereich (nachfolgend als „Reflexionsbereich” bezeichnet) verwendet wird.
Ein Verlust des Lichts in dem Verlustbereich bringt eine Verminderung der Lichtintensität in einem dem Verlustbereich entsprechenden Bereich in dem Strahlquerschnitt des durch den zweiten Reflexionsspiegel 17 reflektierten und in das Lasermedium 12 einfallenden Lichts mit sich. Im Detail umfasst dies ein Absorbieren des in den Verlustbereich einfallenden Lichts, ein Streuen des in den Verlustbereich einfallenden Lichts und ein Reflektieren oder Streuen des in den Verlustbereich fallenden Lichts in der Richtung, die nicht zu der induzierten Emission in dem Lasermedium 12 beiträgt.
4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Phasenvariationsverteilung in dem Verlustbereich der Phasenvariationsverteilung zeigt, die in dem zweiten Reflexionsspiegel 17 in der Laserlichtquelle 1 gemäß der ersten Ausführungsform vorgesehen wird. 4(a) gibt die Größe (0 bis 2π) der Phasenvariation an entsprechenden Positionen in einem bestimmten Bereich einschließlich des Verlustbereichs durch eine variierende Dichte wieder. Weiterhin zeigt 4(b) die Phasenvariationsverteilung, wobei die horizontale Achse die Position wiedergibt und die vertikale Achse die Phasenvariation wiedergibt. In 4(b) entspricht der Bereich der Breite L dem Verlustbereich und entspricht der restliche Bereich neben dem Verlustbereich dem Reflexionsbereich.
Weil wie in 4 gezeigt, die Phasenvariation an entsprechenden Positionen in dem Reflexionsbereich einen fixen Wert aufweist (zum Beispiel π), wird das in den Reflexionsbereich einfallende Licht 32 beinahe gleichmäßig reflektiert und fällt das reflektierte Licht 33 in das Lasermedium 12 ein. Und weil sich andererseits die Phasenvariation an den entsprechenden Positionen in dem Verlustbereich schrittweise in einer Richtung ändert, wird das in den Verlustbereich einfallende Licht 34 in einer Richtung reflektiert, die sich von der regelmäßigen Reflexionsrichtung unterscheidet, sodass das reflektierte Licht 34 nicht in das Lasermedium 12 einfällt.
5 ist ein Diagramm, das andere Beispiele der Phasenvariationsverteilung in dem Verlustbereich der in dem zweiten Reflexionsspiegel 17 vorgesehenen Phasenvariationsverteilung in der Laserlichtquelle 1 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. 5(a) bis 5(e) zeigen jeweils die Phasenvariationsverteilungen, wobei die horizontale Achse für die Position verwendet wird und die vertikale Achse für die Phasenvariation verwendet wird.
In den in 5(a) bis 5(b) gezeigten Phasenvariationsverteilungen in dem Verlustbereich ändert sich die Phasenvariation schrittweise in beiden Richtungen, wobei das einfallende Licht in zwei Richtungen reflektiert wird, die sich von der regulären Reflexionsrichtung unterscheiden. In der Phasenvariationsverteilung in dem Verlustbereich von 5(a) wird das Licht in zwei Richtungen reflektiert, die symmetrisch zueinander sind. Dagegen wird in der Phasenvariationsverteilung in dem Verlustbereich von 5(b) das Licht in zwei Richtungen reflektiert, die asymmetrisch zueinander sind.
Die Phasenvariationsverteilung in dem Verlustbereich von 5(c) ist derart beschaffen, dass die Änderungswiederholungsperiode in der Phasenvariationsverteilung von 4(b) verkürzt ist und gleichzeitig die Anzahl der Änderungswiederholungen erhöht ist. Dabei handelt es sich um eine Phasenverteilung, die als Beugungsgitter mit Blaze-Bereich bezeichnet wird und das einfallende Licht in einer Richtung beugt, die sich von der regulären Reflexionsrichtung unterscheidet. Die Änderungswiederholungsperiode in der Phasenvariationsverteilung von 5(a) oder 5(b) kann verkürzt sein, wobei die Anzahl der Änderungswiederholungen darin erhöht werden kann und dadurch die Phasenverteilung des Beugungsgitters mit Blaze-Bereich herbeigeführt werden kann.
In den Phasenvariationsverteilungen in dem Verlustbereich von 5(d) und 5(e) von 5 ändert sich die Phasenvariation an den entsprechenden Positionen periodisch, sodass die Verteilung eine periodische Phasenverteilung ist, deren Funktion dem Beugungsgitter des Reflexionstyps entspricht. In der Phasenvariationsverteilung in dem Verlustbereich von 5(d) nehmen die Phasenverteilungen der entsprechenden Pixel einen von zwei Werten an. Weiterhin werden in der Phasenvariationsverteilung in dem Verlustbereich von 5(e) die Phasenvariationen der entsprechenden Pixel zu Werten, die den Werten einer die Position als Variable verwendenden Sinusfunktion (Strichlinien in der Figur) angenähert sind. Diese brechen das einfallende Licht in einer Richtung, die sich von der regulären Reflexionsrichtung unterscheidet.
Und wenn der zweite Reflexionsspiegel 17 ein SLM des LCOS-Typs ist, kann der zweite Reflexionsspiegel 17 nur die Phasenvariationsverteilung vorsehen. Wenn also der zweite Reflexionsspiegel 17 nur die Phasenvariationsverteilung vorsehen kann, wird die Phasenvariationsverteilung in dem Verlustbereich vorzugsweise hinsichtlich der Raumfrequenz Fourier-transformiert, wobei die in dem Ergebnis der Fourier-Transformation enthaltene Komponente der Raumfrequenz 0 bei 50% oder weniger liegt. Und wenn der zweite Reflexionsspiegel 17 nur die Amplitudenvariationsverteilung vorsehen kann, liegt der Reflexionsgrad in dem Verlustbereich vorzugsweise bei 50% oder weniger in Bezug auf den Reflexionsgrad in dem Reflexionsbereich. Und wenn der zweite Reflexionsspiegel 17 sowohl die Amplitudenvariationsverteilung als auch die Phasenvariationsverteilung vorsehen kann, liegt der Reflexionsgrad zu der regulären Reflexionsrichtung in dem Verlustbereich vorzugsweise bei 50% oder weniger in Bezug auf den Reflexionsgrad in dem Reflexionsbereich.
6 ist ein Diagramm, das andere Beisiele für die Phasenvariationsverteilung zeigt, die in dem zweiten Reflexionsspiegel 17 in der Laserlichtquelle 1 gemäß der ersten Ausführungsform vorgesehen wird. 6(a) zeigt die Phasenvariationsverteilung, die veranlasst, dass das HG(1, 2)-Modus-Licht einer Laseroszillation unterworfen wird. 6(b) zeigt die Phasenvariationsverteilung, die veranlasst, dass das HG(2, 2)-Modus-Licht einer Laseroszillation unterworfen wird. Und 6(c) zeigt die Phasenvariationsverteilung, die veranlasst, dass das LG(3, 0)-Moduslicht einer Laseroszillation unterworfen wird.
In den in 6(a) bis 6(c) gezeigten Beispielen liegt die Größe der Phasenvariation an entsprechenden Positionen auf der Reflexionsfläche des zweiten Reflexionsspiegels 17 jeweils bei 0 oder 2π. Die entsprechenden Bereiche, in denen die Phasenvariation bei 0 oder 2π liegt, sind als schwarze und weiße Bereiche gezeigt. Wenn ein SLM des LCOS-Typs als zweiter Reflexionsspiegel 17 verwendet wird und der SLM einen Pixelaufbau und eine definite Auflösung aufweist, wird eine schmale und steile Phasenvariationsverteilung an der Grenze zwischen zwei Bereichen der Phasenvariationen gebildet, die sich durch jeweils 2π voneinander unterscheiden, sodass ähnliche Effekte wie bei dem oben beschriebenen Verlustbereich herbeigeführt werden können.
7 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für ein Lichtintensitätsprofil des Laseroszillationslichts 31 zeigt, das aus der Laserlichtquelle 1 gemäß der ersten Ausführungsform ausgegeben wird. Insbesondere zeigt 7 ein Beispiel für das Lichtintensitätsprofil des HG(1, 1)-Modus-Lichts. Auf diese Weise kann das Laseroszillationslicht 31 einer spezifischen transversalen Mode erhalten werden.
Indem wie oben beschrieben in der vorliegenden Ausführungsform die Amplituden- oder Phasenvariationsverteilung in dem zweiten Reflexionsspiegel 17 vorgesehen wird, wird die transversale Mode des in der Laserlichtquelle 1 erzeugten induzierten Emissionslichts effizient gewählt und wird das Laseroszillationslicht 31 mit der transversalen Mode aus dem Halbspiegel 15 nach außen ausgegeben. Weil in der vorliegenden Ausführungsform die Amplituden- oder Phasenvariationsverteilung von außen gesteuert wird und in dem zweiten Reflexionsspiegel 17 vorgesehen wird, kann das Laseroszillationslicht 31 mit einer gewünschten transversalen Mode einfach erhalten werden. Und weil der Knotenteil, in dem die Lichtintensität in der transversalen Mode gleich null wird, entsprechend in Übereinstimmung mit dem Strahldurchmesser und der Strahlform des Laseroszillationslichts 31 gesetzt werden kann, kann das Laseroszillationslicht 31 mit der bestimmten spezifische transversalen Mode effizient erhalten werden.
Zusätzlich zu der Amplituden- oder Phasenvariationsverteilung zum Bestimmen der transversalen Mode des Laseroszillationslichts 31 ist in der vorliegenden Ausführungsform vorzugsweise auf dem zweiten Reflexionsspiegel 17 eine Phasenvariationsverteilung vorgesehen, wodurch die aus den optischen Elementen (Lasermedium 12, Ausgabespiegel 14, Halbspiegel 15, Lichtstrahldurchmesser-Einstellungseinrichtung 16) resultierende Phasenverzerrung in dem Hauptresonator oder in dem externen Resonator kompensiert wird. Und vorzugsweise ist auf dem zweiten Reflexionsspiegel eine Phasenvariationsverteilung vorgesehen, die zusätzlich als ein konkaver Spiegel wirkt. Und wenn die Reflexionsfläche des zweiten Reflexionsspiegels 17 in Bezug auf die Ebene senkrecht zu der optischen Achse des externen Resonators geneigt ist, überlappt der zweite Reflexionsspiegel und sieht die Phasenvariationsverteilung vor, um die Neigung zu kompensieren. Weil in diesen Fällen die in dem zweiten Reflexionsspiegel 17 vorgesehene Phasenvariationsverteilung von außen gesteuert wird, kann das Laseroszillationslicht 31 mit einer bestimmten spezifischen transversalen Mode effizient erhalten werden.
Und damit in der vorliegenden Ausführungsform das Laseroszillationslicht 31 einer bestimmten spezifischen transversalen Mode effizient erhalten wird, kann die in dem zweiten Reflexionsspiegel 17 vorgesehene Amplituden- oder Phasenvariationsverteilung auf der Basis des Lichtintensitätsprofils, das durch die Überwachung des Lichtintensitätsprofils des Laseroszillationslichts 31 erhalten wird, geregelt werden.
(Zweite Ausführungsform)
8 ist ein Konfigurationsdiagramm einer Laserlichtquelle 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Die hier gezeigte Laserlichtquelle 2 der zweiten Ausführungsform ist zusätzlich zu dem in 1 gezeigten Aufbau der Laserlichtquelle 1 der ersten Ausführungsform 1 weiterhin mit zylindrischen Linsen 21 bis 23 versehen. Die Laserlichtquelle 2 weist einen vorteilhaften Aufbau zum Ausgeben eines LG-Modus-Lichts, dessen Winkelindex k nicht gleich null ist (d. h. eines LG-Modus-Lichts mit einer spiralförmigen Phase in dem Querschnitt des Lichtstrahls), als Laseroszillationslicht 31 auf.
Die zylindrische Linse 21 ist zwischen dem ersten Reflexionsspiegel 11 und dem Lasermedium 12 vorgesehen. Die Distanz zwischen der zylindrischen Linse 21 und dem ersten Reflexionsspiegel 11 ist gleich der Brennweite der zylindrischen Linse 21. Die zylindrische Linse 22 und die zylindrische Linse 23 sind derart angeordnet, dass dazwischen der Ausgabespiegel 14 platziert ist. Die entsprechenden Brennlinien der zylindrischen Linse 22 und der zylindrischen Linse 23 fallen zusammen. Die Distanz zwischen der zylindrischen Linse 22 und dem Ausgabespiegel 14 ist gleich der Brennweite der zylindrischen Linse 22. Außerdem ist die Distanz zwischen der zylindrischen Linse 23 und dem Ausgabespiegel 14 gleich der Brennweite der zylindrischen Linse 23. Der zweite Reflexionsspiegel 17 sieht die Phasenvariationsverteilung mit einer Windungszahl –2k für das reflektierte Licht vor.
9 ist ein Diagramm, das Beispiele für die Phasenvariationsverteilung zeigt, die in dem zweiten Reflexionsspiegel 17 in der Laserlichtquelle 2 gemäß der zweiten Ausführungsform vorgesehen wird. 9(a) und 9(b) geben jeweils die Größe (0 bis 2π) der Phasenvariation an entsprechenden Positionen auf der Reflexionsfläche des zweiten Reflexionsspiegels 17 durch eine variierende Dichte wieder. 9(a) zeigt die Phasenvariationsverteilung, die veranlasst, dass das LG(1, 1)-Modus-Licht einer Laseroszillation unterworfen wird, wobei ein vorbestimmter Bereich einschließlich eines Umfangs zu einem Verlustbereich wird und wobei in zwei Reflexionsbereichen, die durch den Verlustbereich voneinander getrennt werden, jeweils eine spiralförmige Phasenvariationsverteilung mit einer Windungszahl –2 verwendet wird. Außerdem zeigt 9(b) die Phasenvariationsverteilung, die veranlasst, dass das LG(2, 2)-Modus-Licht einer Laseroszillation unterworfen wird, wobei vorbestimmte Bereiche mit jeweils zwei Umfängen zu Verlustbereichen werden und in drei Reflexionsbereichen, die durch die zwei Verlustbereiche voneinander getrennt werden, jeweils eine spiralförmige Phasenvariationsverteilung mit einer Windungszahl –4 verwendet wird.
In der Laserlichtquelle 2, die das LG(p, k)-Modus-Licht als Laseroszillationslicht 31 ausgibt, wird die in dem zweiten Reflexionsspiegel 17 vorgesehene Phasenvariationsverteilung allgemein wie folgt ausgedrückt. Dabei werden p positive Wurzeln aus reellen Zahlen des Sonine-Polynoms S_p ^k(z) des Polynoms der p-Ordnung der folgenden Gleichung (1) erhalten und werden die Radien r₁ bis r_p der Umfänge an den Verlustbereichen in Übereinstimmung mit der folgenden Gleichung (2) auf der Basis der aus reellen Zahlen erhaltenen Wurzeln a₁ bis a_p und dem Lichtstrahlabfallradius w erhalten.
Bereiche mit einer bestimmten Breite, die die Umfänge der entsprechenden Radien r_i (i = t bis p) enthalten, werden zu Verlustbereichen, und die Phasenvariationsverteilung in der Radialrichtung an den entsprechenden Verlustbereichen nimmt die in 4 oder 5 gezeigte Verteilung an. Außerdem wird in den (p + 1) Reflexionsbereichen, die durch die p Verlustbereiche voneinander getrennt werden, jeweils die Phasenvariation φ(r, θ) durch die folgende Gleichung (3) ausgedrückt. r und θ sind eine Radiusvariable und eine Winkelvariable in dem polaren Koordinatensystem auf der Reflexionsfläche des zweiten Reflexionsspiegels 17.
[Gleichung 1]
[Gleichung 2]
[Gleichung 3]

φ(r, θ) = –2kθ (3)

Wenn n eine ganze Zahl ist, sind eine beliebige Phase α und eine Phase (α + 2nπ) äquivalent zueinander und kann die Phasenvariationsverteilung nur auf dem relativen Wert beruhen, wobei der Versatzwert nicht berücksichtigt wird. Unter diesen Bedingungen kann mit der in dem zweiten Reflexionsspiegel 17 vorgesehenen Phasenvariationsverteilung die Phasenvariation auf den Bereich von der Phase α zu der Phase (α + 2π) beschränkt werden, sodass der Wert von α gleich null sein kann.
Weiterhin kann in der vorliegenden Ausführungsform wie in der Phasenvariationsverteilung von 6 eine Phasenvariationsverteilung, bei der die Phasendifferenz zwischen dem Inneren des Umfangs des entsprechenden Radius r_i und dem Äußeren gleich 2π wird, in dem zweiten Reflexionsspiegel 17 vorgesehen werden.
Die durch die Laserlichtquelle 2 gemäß der zweiten Ausführungsform ausgeführten Aktionen sind denjenigen der Laserlichtquelle 1 gemäß der ersten Ausführungsform sehr ähnlich und können ähnliche Effekte herbeiführen. Die Laserlichtquelle 2 gemäß der zweiten Ausführungsform wird jedoch wie nachfolgend mit Bezug auf 10 beschrieben betrieben, wobei ein Aufbau verwendet wird, in dem die Phasenvariationsverteilung mit einer Windungszahl –2k der weiter oben genannten Gleichung (3) in dem zweiten Reflexionsspiegel 17 vorgesehen wird und die zylindrischen Linsen 21 bis 23 vorgesehen sind.
10 ist ein Diagramm, das den Betrieb des Laserlichtquelle 2 gemäß der zweiten Ausführungsform erläutert. 10 zeigt den ersten Reflexionsspiegel 11, den Ausgabespiegel 14, den zweiten Reflexionsspiegel 17 und die zylindrischen Linsen 21 bis 23 und weiterhin das induzierte Emissionslicht und den Winkelindex (+k oder –k) jeweils in dem Hauptresonator und in dem externen Resonator.
Wenn das an dem ersten Reflexionsspiegel 11 in dem Hauptresonator einfallende Licht ein LG(p, –k)-Modus-Licht ist, wird das Licht durch die zylindrische Linse 21 kollimatiert, nachdem es durch die zylindrische Linse 21 auf der Reflexionsfläche des ersten Reflexionsspiegels 11 kondensiert wurde, wenn das Licht in den ersten Reflexionsspiegel eintritt und durch den ersten Reflexionsspiegel 11 reflektiert wird, wodurch die Bewegungsrichtung des reflektierten Lichts nach dem Kollimatieren umgekehrt wird und die Phasenverteilung liniensymmetrisch transformiert wird, sodass der LP(p, –k)-Modus so erhalten wird wie er ist.
Wenn das auf den Ausgabespiegel 14 in dem Hauptresonator einfallende Licht ein LG(p, –k)-Modus-Licht ist, wird das Licht durch die zylindrische Linse kollimatiert, nachdem es auf der Reflexionsfläche des Ausgabespiegels 14 durch die zylindrische Linse kondensiert wurde, wenn das Licht in den Ausgabespiegel eintritt und durch den Ausgabespiegel 14 reflektiert wird, wodurch die Bewegungsrichtung des reflektierten Lichts nach der Kollimation umgekehrt wird und die Phasenverteilung liniensymmetrisch transformiert wird, sodass der LG(p, –k)-Modus aufrechterhalten wird wie er ist. Das Licht, das von dem Hauptresonator durch den Ausgabespiegel 14 hindurchgeht und zu dem externen Resonator geht, wird zu einem LG(p, +k)-Modus-Licht, indem es durch die zwei zylindrischen Linsen 22 und 23 hindurchgeht.
Wenn das auf den zweiten Reflexionsspiegel 17 in dem externen Resonator einfallende Licht ein LG(p, +k)-Modus-Licht ist, wird die Bewegungsrichtung des durch den zweiten Reflexionsspiegel 17 reflektierten Lichts umgekehrt und in Übereinstimmung mit der oben beschriebenen Phasenvariationsverteilung in der Phase variiert, wodurch der LG(p, +k)-Modus erhalten wird wie er ist.
Und wenn das auf den Ausgabespiegel 14 in dem externen Resonator einfallende Licht ein LG(p, +k)-Modus-Licht ist, wird das Licht durch die zylindrische Linse 23 kollimatiert, nachdem es durch die zylindrische Linse 23 auf der Reflexionsfläche des Ausgabespiegels 14 kondensiert wurde, wenn das Licht in den Ausgabespiegel eintritt und durch den Ausgabespiegel 14 reflektiert wird, wodurch die Bewegungsrichtung des reflektierten Lichts nach der Kollimation umgekehrt wird und die Phasenverteilung liniensymmetrisch transformiert wird, sodass der LG(p, +k)-Modus erhalten wird wie er ist. Das aus dem externen Resonator durch den Ausgabespiegel 14 zu dem Hauptresonator gehende Licht wird zu einem LG(p, –k)-Modus-Licht, indem es durch die zwei zylindrischen Linsen 23 und 22 hindurchgeht.
Der LG(p, –k)-Modus wird also zu einem stationären Modus in dem Hauptresonator, und der LG(p, +k)-Modus wird zu einem stationären Modus in dem externen Resonator. Weiterhin tritt das Laseroszillationslicht 31, das durch den Halbspiegel 15 in dem externen Resonator reflektiert wird, nach außen aus und wird in den LG(p, +k)-Modus versetzt. Dadurch wird das LG(p, +k)-Modus-Licht einer Laseroszillation unterworfen.
Zusätzlich zu der Amplituden- oder Phasenvariationsverteilung zum Bestimmen der transversalen Mode des Laseroszillationslichts 31 ist vorzugsweise auf dem zweiten Reflexionsspiegel 17 eine Phasenvariationsverteilung vorgesehen, die die durch die optischen Elemente (das Lasermedium 12, den Ausgabespiegel 14, den Halbspiegel 15, die Lichtstrahldurchmesser-Einstellungseinrichtung 16, die zyklischen Linsen 21 bis 23) in dem Hauptresonator und in dem externen Resonator verursachte Phasenverzerrung kompensiert. Und vorzugsweise ist auf dem zweiten Reflexionsspiegel eine Phasenvariationsverteilung vorgesehen, die zusätzlich als konkaver Spiegel wirkt. Und wenn die Reflexionsfläche des zweiten Reflexionsspiegel 17 in Bezug auf die Ebene senkrecht zu der optischen Achse des externen Resonators geneigt ist, überlappt vorzugsweise der zweite Reflexionsspiegel und sieht die Phasenvariationsverteilung vor, um die Neigung zu kompensieren. Weil in diesen Fällen die Phasenvariationsverteilung in dem zweiten Reflexionsspiegel 17 vorgesehen wird, indem sie von außen gesteuert wird, kann das Laseroszillationslicht 31 einer bestimmten spezifischen transversalen Mode effizient erhalten werden.
Und um in der zweiten Ausführungsform das Laseroszillationslicht 31 einer bestimmten spezifischen transversalen Mode effizient zu erhalten, kann die in dem zweiten Reflexionsspiegel 17 vorgesehene Amplituden- oder Phasenvariationsverteilung auf der Basis des Lichtintensitätsprofils geregelt werden, das durch das Überwachen des Lichtintensitätsprofils des Laseroszillationslichts 31 erhalten wird.
Obwohl die Laserlichtquelle 2 gemäß der zweiten Ausführungsform eine vorteilhafte Konfiguration zum Ausgeben des LG-Modus-Lichts mit einem Winkelindex k ungleich null aufweist, kann auch das LG-Modus-Licht mit einem Winkelindex k von null als Laseroszillationslicht 31 ausgegeben werden und kann auch das HG-Modus-Licht als Laseroszillationslicht 31 ausgegeben werden.
(Dritte Ausführungsform)
11 ist ein Konfigurationsdiagramm einer Laserlichtquelle 3 gemäß einer dritten Ausführungsform. Die Laserlichtquelle 3 der dritten Ausführungsform in der Figur ist mit einem ersten Reflexionsspiegel 11A anstelle des ersten Reflexionsspiegels 11 und der zylindrischen Linse 21 in dem Aufbau der Laserlichtquelle 2 der zweiten Ausführungsform von 8 versehen. Der erste Reflexionsspiegel 11a und der Ausgabespiegel 14 bilden den Hauptresonator, wobei dazwischen das Lasermedium 12 angeordnet ist.
Wie in dem zweiten Reflexionsspiegel 17 ist der erste Reflexionsspiegel 11A derart konfiguriert, dass er Amplituden- oder Phasenvariationen für entsprechende Positionen in dem Querschnitt des Lichtstrahls vorsieht, wenn das Licht reflektiert wird, wobei der erste Reflexionsspiegel eine Amplituden- oder Phasenvariationsverteilung vorsieht und die transversale Mode des Laseroszillationslichts 31 auf der Basis der Amplituden- oder Phasenvariationsverteilung bestimmt. Die durch den ersten Reflexionsspiegel 11A vorgesehene Amplituden- oder Phasenvariationsverteilung kann fixiert sein, wobei der erste Reflexionsspiegel jedoch vorzugsweise die Amplituden- oder Phasenvariationsverteilung in Übereinstimmung mit einer Steuerung von außen vorsieht.
Der erste Reflexionsspiegel 11A kann ein SLM sein, der die Amplitude oder Phase des einfallenden Lichts räumlich moduliert und das einfallende Licht reflektiert, wobei es sich um einen verformbaren Spiegel des Segmenttyps oder ein MEMS-Element handeln kann, das die Phase des einfallenden Lichts räumlich moduliert und das einfallende Licht reflektiert. Weiterhin ist der erste Reflexionsspiegel 11A vorzugsweise ein SLM des LCOS-Typs.
Die in dem ersten Reflexionsspiegel 11A vorgesehene Amplituden- oder Phasenvariationsverteilung weist eine spiegelbildliche Beziehung zu der in dem zweiten Reflexionsspiegel 17 vorgesehenen Amplituden- oder Phasenvariationsverteilung auf. Wenn zum Beispiel das LG(p, k)-Modus-Licht zu dem Laseroszillationslicht 31 wird, wenn die Phasenvariation φ(r, θ) in dem Reflexionsbereich des zweiten Reflexionsspiegels 17 durch die oben genannte Gleichung (3) ausgedrückt wird, wird die Phasenvariation φ(r, θ) in dem Reflexionsbereich des ersten Reflexionsspiegel 11A durch die folgende Gleichung (4) ausgedrückt.
[Gleichung 4]

φ(r, θ) = +2kθ (4)

Wenn bei einer derartigen Verwendung des ersten Reflexionsspiegels 11A das auf den ersten Reflexionsspiegel 11A in dem Hauptresonator einfallende Licht das LG(p, –k)-Modus-Licht ist, wird die Bewegungsrichtung des durch den ersten Reflexionsspiegel 11A reflektierten Lichts umgekehrt und wird eine Phasenvariation in Übereinstimmung mit der oben beschriebenen Phasenvariationsverteilung für dasselbe vorgesehen, sodass der LG(p, –k)-Modus so erhalten wird wie er ist.
Also auch in der vorliegenden Ausführungsform wird der LG(p, –k)-Modus zu einem stationären Modus in dem Hauptresonator und wird der LG(p, +k)-Modus zu einem stationären Modus in dem externen Resonator. Weiterhin wird das Laseroszillationslicht 31, das durch den Halbspiegel 15 in dem externen Resonator reflektiert und nach außen ausgegeben wird, zu dem LG(p, +k)-Modus. Das LG(p, +k)-Modus-Licht wird auf diese Weise einer Laseroszillation unterworfen.
Obwohl die Laserlichtquelle 3 gemäß der dritten Ausführungsform eine vorteilhafte Konfiguration zum Ausgeben des LG-Modus-Lichts mit einem Winkelindex k ungleich null als Laseroszillationslicht 31 aufweist, kann auch das LG-Modus-Licht mit einem Winkelindex k von null als Laseroszillatinslicht 31 ausgegeben werden und kann auch das HG-Modus-Licht als Laseroszillationslicht 31 ausgegeben werden.
(Vierte Ausführungsform)
12 ist ein Konfigurationsdiagramm einer Laserlichtquelle 4 gemäß einer vierten Ausführungsform. Die Laserlichtquelle 4 der vierten Ausführungsform der Figur ist mit einem Reflexionsspiegel 11B anstelle des ersten Reflexionsspiegels 11 und der zylindrische Linse 21 in dem Aufbau der Laserlichtquelle 1 der zweiten Ausführungsform von 8 versehen. Der erste Reflexionsspiegel 11B und der Ausgabespiegel 14 bilden den Hauptresonator, wobei dazwischen das Lasermedium 12 angeordnet ist. Der erste Reflexionsspiegel 11B weist zwei senkrecht zueinander angeordnete Reflexionsflächen auf, wobei zum Beispiel ein zweidimensionaler Retroreflektor (ein Prisma), der zwei orthogonal zueinander ausgerichtete Flächen als Reflexionsflächen aufweist, verwendet wird.
Wenn bei Verwendung eines derartigen ersten Reflexionsspiegels 11B das auf den ersten Reflexionsspiegel 11b in dem Hauptresonator einfallende Licht ein LG(p, –k)-Modus-Licht ist, wird die Bewegungsrichtung des durch den ersten Reflexionsspiegel 11b reflektierten Lichts umgekehrt und wird die Phasenverteilung liniensymmetrisch vorgesehen, sodass der LG(p, –k)-Modus so erhalten wird wie er ist.
Also auch in der vorliegenden Ausführungsform wird der LG(p, –k)-Modus zu einem stationären Modus in dem Hauptresonator und wird der LG(p, +k)-Modus zu einem stationären Modus in dem externen Resonator. Weiterhin wird das Laseroszillationslicht 31, das durch den Halbspiegel 15 in dem externen Resonator reflektiert und nach außen ausgegeben wird, zu dem LG(p, +k)-Modus. Auf diese Weise wird das LG(p, +k)-Modus-Licht einer Laseroszillation unterworfen.
Obwohl die Laserlichtquelle 4 gemäß der vierten Ausführungsform eine vorteilhafte Konfiguration zum Ausgeben des LG-Modus-Lichts mit einem Winkelindex k ungleich null als Laseroszillationslicht 31 aufweist, kann auch ein LG-Modus-Licht mit einem Winkelindex k von null als Laseroszillationslicht 31 ausgegeben werden und kann auch ein HG-Modus-Licht als Laseroszillationslicht 31 ausgegeben werden.
Eine Laserlichtquelle gemäß den vorliegenden Ausführungsformen umfasst (1) einen Hauptresonator, der derart konfiguriert ist, dass der erste Reflexionsspiegel und der Ausgabespiegel einander gegenüberliegend mit dazwischen einem Lasermedium angeordnet sind, und (2) einen externen Resonator, der derart konfiguriert ist, dass der Ausgabespiegel und der zweite Reflexionsspiegel einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei der externe Resonator über den Ausgabespiegel optisch mit dem Hauptresonator gekoppelt ist. Weiterhin ist der zweite Reflexionsspiegel derart konfiguriert, dass er Amplituden- oder Phasenvariationen für entsprechende Positionen in dem Querschnitt eines Lichtstrahls vorsieht, wenn das Licht reflektiert wird. Und der zweite Reflexionsspiegel sieht eine Amplituden- oder Phasenvariationsverteilung vor und bestimmt eine transversale Mode des Laseroszillationslichts auf der Basis der Amplituden- oder Phasenvariationsverteilung. Weil in der Laserlichtquelle mit dieser Konfiguration die Amplituden- oder Phasenvariationsverteilung in dem zweiten Reflexionsspiegel vorgesehen wird, wird die transversale Mode des effizient in dem Hauptresonator und dem externen Resonator der Laserlichtquelle erzeugten induzierten Emissionslichts bestimmt und wird das Laseroszillationslicht mit der transversalen Mode nach außen ausgegeben.
Vorzugsweise ist die Laserlichtquelle mit der oben beschriebenen Konfiguration weiterhin mit einer Lichtstrahldurchmesser-Einstelleinrichtung versehen, die an dem Resonanzlichtpfad in dem Hauptresonator oder in dem externen Resonator vorgesehen ist und den Strahldurchmesser des auf den zweiten Reflexionsspiegel einfallenden Lichts einstellt. Außerdem ist die Laserlichtquelle vorzugsweise mit einer Blende versehen, die an dem Resonanzlichtpfad in dem Hauptresonator oder in dem externen Resonator vorgesehen ist und den Strahldurchmesser des auf den zweiten Reflexionsspiegel einfallenden Lichts beschränkt.
In der Laserlichtquelle mit der oben beschriebenen Konfiguration überlappt der zweite Reflexionsspiegel vorzugsweise und sieht eine Phasenvariationsverteilung, die die aus den optischen Elementen in dem Hauptresonator oder in dem externen Resonator resultierende Phasenverzerrung kompensiert, zusätzlich zu der Amplituden- oder Phasenvariationsverteilung, die die transversale Mode des Laseroszillationslichts bestimmt, vor. Weiterhin ist auf dem zweiten Reflexionsspiegel vorzugsweise eine Phasenvariationsverteilung vorgesehen, die zusätzlich zu der Amplituden- oder Phasenvarationsverteilung, die die transversale Mode der Laseroszillationslichts bestimmt, als konkaver Spiegel wirkt.
In der Laserlichtquelle sieht der zweite Reflexionsspiegel vorzugsweise die Amplituden- oder Phasenvariationsverzerrung vor, damit das Laguerre-Gauß-Modus-Licht einer Laseroszillation unterworfen wird. Weiterhin sieht der zweite Reflexionsspiegel vorzugsweise die Amplituden- oder Phasenvariationsverteilung vor, damit das Hermite-Gauß-Modus-Licht einer Laseroszillation unterworfen wird.
Weiterhin sieht in der Laserlichtquelle mit der oben beschriebenen Konfiguration der zweite Reflexionsspiegel vorzugsweise die Amplituden- oder Phasenvariationsverteilung in Übereinstimmung mit einer Steuerung von außen vor.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung sieht eine Laserlichtquelle vor, in welcher die transversale Mode des Laseroszillationslichts einfach gesteuert werden kann.
Liste der Bezugszeichen

1 bis 4: Laserlichtquelle; 11, 11A, 11B: erster Reflexionsspiegel; 12: Lasermedium; 13: Blende; 14: Ausgabespiegel; 15: Halbspiegel; 16: Lichtstrahldurchmesser-Einstelleinrichtung; 17: zweiter Reflexionsspiegel; 21 bis 23: zylindrische Linse; 31: Laseroszillationslicht.

Claims

Laserlichtquelle (1–4), die umfasst: einen Hauptresonator, der derart konfiguriert ist, dass ein erster Reflexionsspiegel (11, 11A, 11B) und ein Ausgabespiegel (14) einander gegenüberliegend mit dazwischen einem Lasermedium (12) angeordnet sind, und einen externen Resonator, der derart konfiguriert ist, dass der Ausgabespiegel (14) und ein zweiter Reflexionsspiegel (17) einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei der externe Resonator über den Ausgabespiegel (14) optisch mit dem Hauptresonator gekoppelt ist, wobei der zweite Reflexionsspiegel (17) derart als räumlicher Lichtmodulator konfiguriert ist, dass er eine transversale Mode einstellt, indem er Amplituden- oder Phasenvariationen an entsprechenden Positionen in dem Querschnitt des Lichtstrahls einbringt, wenn das Licht reflektiert wird, und wobei die Laserlichtquelle (1–4) weiter umfasst: eine Antriebseinheit (51) zum Ansteuern des räumlichen Lichtmodulators des zweiten Reflexionsspiegels (17), und eine Steuereinheit (52) zur Steuerung der Amplituden- oder Phasenverteilung des Strahlprofils mittels der Antriebseinheit (51).
Laserlichtquelle (1–4) nach Anspruch 1, die weiterhin eine Lichtstrahldurchmesser-Einstelleinrichtung (16) umfasst, die an dem Resonanzlichtpfad in dem Hauptresonator oder in dem externen Resonator vorgesehen ist und den Strahldurchmesser des auf den zweiten Reflexionsspiegel (17) einfallenden Lichts einstellt.
Laserlichtquelle (1–4) nach Anspruch 1 oder 2, die weiterhin eine Blende (13) umfasst, die an dem Resonanzlichtpfad in dem Hauptresonator oder in dem externen Resonator vorgesehen ist und den Strahldurchmesser des auf den zweiten Reflexionsspiegel (17) einfallenden Lichts beschränkt.
Laserlichtquelle (1–4) nach Anspruch 1 bis 3, wobei der zweite Reflexionsspiegel (17) eine Phasenvariationsverteilung vorsieht, die die aus den optischen Elementen (11, 12, 13, 14) in dem Hauptresonator oder in dem externen Resonator resultierende Phasenverzerrung kompensiert.
Laserlichtquelle (1–4) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der zweite Reflexionsspiegel (17) eine Phasenvariationsverteilung vorsieht, die zusätzlich als konkaver Spiegel wirkt.
Laserlichtquelle (1–4) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der zweite Reflexionsspiegel (17) die Amplituden- oder Phasenvariationsverteilung vorsieht, damit das Laguerre-Gauß-Modus-Licht einer Laseroszillation unterworfen wird.
Laserlichtquelle (1–4) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der zweite Reflexionsspiegel (17) die Amplituden- oder Phasenvariationsverteilung vorsieht, damit das Hermite-Gauß-Modus-Licht einer Laseroszillation unterworfen wird.