JP2003524290A - 環状断面の複数のビームから良好な光学的品質を得るフィルタリング方法及びレーザー源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 レーザービーム（ＦＲ）を集束するため、幾何学的に環状の出力によって放射されるビームの距離（ＳＦ）をあけて再調整を行い、複数のアパーチャ（１３Ａ）の方位（すなわち接線）方向の寸法と、複数のアパーチャの周期性（ｄ）の間の比率が、１以下であり、特に環状レーザーが、パラメータ（フィリングフィルター）Δ〜0.7÷0.95を有する周期状空洞フィルター（１３Ａ）と、例えば数mmの周期性及び約10ミクロンの波長に関して、約数十cm距離δＦをあけた再調整面とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （技術分野） 熱拡散により冷却される現行のガスレーザに関する無線周波数でのコンデンサ
ー放電を用いて、ガス（特にＣＯ及びＣＯ_２）を利用したレーザー源の設計及び
改善に関し、全く新しいアプローチを行う。なぜならこれらの方法が、効果的な
励起のために使用することができるからであり、放電によって、ガス容量を二方
向では非常に大きく、第三方向では非常に小さく特徴付け、そのような方法で、
非常に効果的に、熱を最も大きな面へ移動させる。この方法で、通常の連続放電
の出力密度よりも、十倍の出力密度のあるガスを充填することが可能になる。

【０００２】 （背景技術） 密封または半密封での動作の可能性と、約10Hzの繰り返し周波数（repetition
frequency）まで、放電をパルス化する好機とを有する特性が、これらの源を、
中出力から複数の高出力レーザーに関する別の製造技術と比較して、最も有効に
する。これは、例えば高速なガス流の場合よりも、更に経済的な方法で、高出力
へのシフトが、放電面を増やすことによって容易に達成されるからである。平均
出力約500Wの密封源と、平均出力約2kWの半密封源は、結果として産業的な利用
に関連しており、現在構成される。

【０００３】 これら源の利点及び特性は、H.Baker及びD.R.Hallにより、“Area sealing bo
ots CO2-Laser performance”、Laser Focus World、pp.77〜80、1998年10月号
に文献としてまとまられている。それらのシステムに関する典型的な放電の流れ
は、幾何学的に平面状または幾何学的に環状で使用する。複数のレーザーを平面
型に構成する方法は、J.Tulipによる米国特許第4,719,649号及び、H.Opowerによ
る欧州特許明細書第0 305 893号をはじめ、様々な特許明細書に記載されている
。他方で、環状レーザーは、S.Yatsivによる米国特許第4,847,852号により知ら
れている。

【０００４】 しかし、別の特許明細書（JA.Mackenによる米国特許第4,755,999号及び、JA.M
acken他による米国特許第5,528,613号）が、異なった技術をもとにした放電と同
等に、幾何学的に平面状または環状の任意の活性媒体を、熱拡散によって媒体を
冷却する目的のため、有利に使用することができることを、開示している。特許
明細書第4,755,999号では、磁界によって安定させられた連続放電が、前記の無
線周波数でコンデンサ放電する用いられ、特許明細書第5,528,613号では、同じ
幾何学性が、連続放電と高周波数の放電との組み合わせによって、励起される活
性ガス媒体に関して使用される。

【０００５】 結局、熱の除去は、複数の固体（または液体)レーザーの場合でさえも、主な
問題であることは明らかである。なぜなら、これは光学活性材料において温度が
高いと、抽出ビームの品質を下げる変形を生じさせるか、または同じように材料
を破損させるからである。従って本明細書で考えられる解決手段は、複数のガス
レーザーと複数の固体レーザーの両方に関連している。なぜなら、これは新しい
幾何学性による良好な結果を得るため、非常に小さな活性が痛いの範囲から、光
学的に高品質なビームを抽出するような、特別な技術的問題を解決するために必
要であり、従って通常の断面とはからり異なった横断面を有する。従って通常の
光学共振器（例えばA.E.Siegmannによる書籍“Laser”、University Science Bo
oks、Mill Valley、California、1986年、に記載されているようなもの）を使用
することは、不可能になる。良好な光学的品質の（すなわち、容易に焦点合わせ
可能な）ビームの抽出は、実際にきわめて重要であり、なぜなら多数の適用例に
おいて、良好な焦点合わせを行うと、総出力を更に高くするよりも、より効果的
であるためである。

【０００６】 理論的に、複数の環状レーザーは、複数の平面レーザーよりも有利であり、な
ぜなら光学的要素の全体の大きさを収納するからであるが、それに関して良好な
光学的品質のビームを抽出する問題は、更に複雑になることは明らかである。

【０００７】 例えば、使用する安定−不安定複合共振器（hybrid resonator）は、有利には
米国特許明細書第4,719,639号で採用され、平面幾何学（planar geometry）に関
して欧州特許EP-0 305 893で採用され、環状幾何学に関して米国特許第5,353,29
9号で応用されており、以前の場合、製造が困難で、ゆえに高価な光学要素の使
用を必要とする。

【０００８】 課題に関する有利な解決手段は、共振器を利用することから成り、ビームの伝
播方向に関して横方向（共振器の横モード）のフィールド（場）の分布（field
distribution）の選択が、Talbot効果をもとにした方法によって行われる。この
アプローチは、例えばドイツ国特許出願明細書第4,325,063号で使用されている
。

【０００９】 Talbot原理によると、ｄと等しい横空間周期を有する周期的電磁（e.m.）場の
分布が、（理論的には、確実にフィールドが無限の横寸法を有し、それが実際の
場合に近ければ）Talbot距離（Ｄ_τ）と称するものを重積分した距離で、再構成
される。 D_τ＝2d^２/λ （１） ここでλは、電磁場の波長である。

【００１０】 従って、周期状アパーチャの関数を、長さがTalbot距離の半分に等しい空洞で
、計算することによって、一共振サイクルでフィールドの再構成ができ、すなわ
ち光学的空洞の横モードの回折損失が低くなるように選択をできる。幾何学的に
環状の共振器における周期関数はリング状に整列した一組のアパーチャを備えた
空洞フィルターによって、得ることができる。特に、この構造はレーザの出力ミ
ラー上での切り込みによって直接作られる。ここまでもたらされた情報は、既に
前記ドイツ国特許出願明細書に開示されている。しかしこの出願明細書は、アパ
ーチャがフィルターの周期性にできるだけ近い大きさで作られるべきでである、
すなわちフィルターの障害となる領域が最小に減らすべき、また空洞損失を最小
にすべきであると、提案している。

【００１１】 しかし、前記ドイツ国出願明細書に含まれる説明が、良好な光学的品質のビー
ムを抽出を確実に行う方法ではないことを心に留めるべきである。なぜならこれ
は、空洞の長さがDτ／2である時、同じ位相または逆の位相において、隣接ロー
ブを有した電磁場モードを抽出する可能性がある。典型的に、カウンタ位相モー
ドが（逆位相で隣接ローブを有し）、やや好ましい存在であるが、一方のモード
から他方への変化は、空洞パラメータの小さな変化によって起こすことができる
。更に隣接ローブがカウンタ位相にある場合、モードは本質的に焦点合わせが不
充分であり、なぜならリング形の遠位フィールド（remote field）を作るから、
すなわち、フィールドが中心に孔を有するからである。

【００１２】 カウンタ位相において、隣接ローブを有するモードだけを、D_τ／4の奇数倍で
ある空洞の長さに関して、低損失で抽出できる。この場合、空洞の外側の光学的
要素を使用して、ローブを再調整し、その結果により、常に位相の等しい一つの
モードがあるようになる。ドイツ国特許出願明細書第4,325,063号によって提案
された空洞長（以下で符号Ｌで表す）は、以下の公式： L＝n・D_ｒ／2＝n・d^２／λ n＝1、2、... （２） 逆に、提案された空洞が以下のような長さをゆする。 L＝（2n−1）・D_τ／4＝（2n＋1）・d^２／2λ n＝0、1、... （３） ここで、値は等式（１）に与えられる値と同じである。

【００１３】 また前記のように再調整されるかまたは、通常前記ドイツ国特許出願明細書に
示されているような環状アパーチャを、小さな周期で隠すことによって得られる
、ピュアモード（pure mode）（すなわち、正弦変化に非常に似た方位分布をし
たモード）を有し、エネルギーの一部だけを、源（またすなわち、焦点合わせ光
学要素の焦平面）から遠位にあるフィールドの中心ローブに集束させることがで
きる。なぜならこれは、ビームのエネルギーの数分の一だけを、この方法でリン
グの基礎モード（均一な方位分布を有するモード）に伝送するからである。この
数分の一の量は、典型的に約50〜70％であり、より高いモードに含まれるエネル
ギーの残り量と共に、このフィールド分布に未だ存在する高空間周波数（high s
patial frequency）によるものである。

【００１４】 最終的に、方位方向における正弦型の変化が、電磁場の固有関数であり、すな
わち、伝播されるフィールド分布は横方向に不変である。しかし、方位方向の非
調和周期分布（すなわちそれらは正弦型ではない）の場合、回折が、この方向で
充分に変調（変え）させ（A.Lapucci、F.Quercioli及び、D.Jafrancescoによる
“Optimal phase filtering for high-power laser array far-field ditributi
on”,Opt.Lett.,18(20),pp. 1694〜1696,1993年参照）、特定の距離で均一で大
きなフィールドを作る。そして再調整が、光学空洞の出力平面から距離をおいて
、より有利に行うことことができ、距離は一定で均一なフィールドが、上記で引
用した1993年のテキストに示されたような回折手段によって達成され、図2の様
に、特に相違点が、フィールドＦとフィールドＢとの間を比較することで、明ら
かにされている。

【００１５】 本発明における方法は、環状の単数のレーザーからまたは、円形に整列した複
数のレーザーのアレイから抽出されるビームの光学的品質を上げるために備えら
れる。

【００１６】 その方法は、リングに配列されたローブに放射することを特徴とするレーザー
源の使用を成し、そのような方法でリングの複数の黒領域（dark region）が、
接線方向（レーザービームに関する資料では方位方向と称される）を無視できな
い厚さを有し、特に前記黒領域が、リングの約10〜30％に等しい領域をカバーす
る。この放射は、例えば前記数分の一すなわち10〜30％に等しい空洞の一部を隠
して、Talbot空洞を使用することによって、行うことができる。

【００１７】 また、その方法は、再調整手段を距離をおいて配置することをもとにしており
、そこではローブが回折しており、その様な方法でローブは黒領域をカバーし、
すなわちその様な方法で、ローブが特に接線方向により均一なリングの照明を作
る。再調整手段は、段階的に可変な厚さを有しており、隣接ローブの間の光路に
おける差、すなわちそれらローブの間の位相の遅れをもたらす。もし源がカウン
タ位相で隣接ローブにより、放射すると、この遅れは、典型的にπ（光路におけ
る差λ/2に相当）に近い値を有し、もし同じ位相を有する全てのローブにより、
源が最初に放射すると、値がπ/2に近くなる（光路における差λ/4に相当する）
。実際に、再調整手段が配置される際の光学的厚さと光路長は、源の寸法と特に
隠される環状部分の一部を関数として、コンピューターの補助による多数の方法
によって計算しなければならない。更に通常は、再調整手段が、距離をおいて位
相変調をキャセルする傾向があり、その際に伝播が振幅変調を最小にする。

【００１８】 （発明の開示） 本発明の第一の目的は、ビームを集束させる、ビーム処理方法を提供すること
であり、幾何学的に環状で出力する単数のレーザーまたは複数のレーザーのアレ
イによって放射されるビームの距離をおいて、再調整し、アパーチャの方位（す
なわち接線）方向の大きさと、アパーチャの周期性との間の比率が１以下である
。

【００１９】 複数のアパーチャの周期性は、0.7〜0.95の範囲内であり得る。

【００２０】 その方法は有利に、パラメータ（フィリングファクター、filling factor）Δ
〜0.7÷0.95を有する周期状空洞フィルターと、例えば数mmの周期性及び約10ミ
クロンの波長に関して、約数十cmの距離δＦをおいた再調整面により、単数の環
状レーザーを使用し、放射フィールドの振幅の変化が最小で、位相の変化が最大
になり、ここでδＦはΔの関数として決定されるべきものもので、調整の位置に
関する光路長が、Δ（フィリングファクター）の変化により変わる。

【００２１】 本発明の別の目的は、複数の集束レーザーエネルギービームを得るレーザー源
を提供することであり、この源は、厚さが接線方向に、環状延長の総範囲の5％
から30％に達する、複数の黒領域により複数のローブに分割された環状断面のレ
ーザー放射と、ビームを集束させる全路において、光路の一方のローブから他方
へと選択することで、複数のローブを再調整する変調光学手段とを備える。

【００２２】 問題となるレーザー源は、複数のローブに分割するTalbotフィルターから成る
。

【００２３】 一実施例において、普通の伝播手段（通常は空気）の屈折率とは異なる反射率
を有する光学プレートを備え、この光学プレートは、その複数の面の少なくとも
一つにおいて、光路長の変化によって再調整されるエネルギーローブに対応して
変調する厚さを有する。

【００２４】 別の実施例において、二つの円錐状または環状反射面を具備したビーム圧縮シ
ステムを備え、このシステムが、段階的に変調させるため前記反射面の少なくと
も一つまたは両方を有し、種々のローブの光線路を変化をさせて、結果的にその
再調整を行う。

【００２５】 再調整手段は、周期フィルターから距離（δＦ）をあけて配置することができ
、実質的に均一な環状照明が、前記複数のローブの回折の結果として、得られる
。

【００２６】 複数の円錐状または環状面を具備したビーム圧縮システムが使用される時、前
記複数の反射面の一つまたは両方が、段階的に変調される厚さを有し、それによ
って複数のローブの間の位相差及びそれらの伝播により、位相変調を均一にする
。

【００２７】 正確に分離され且つ位相変位されたローブに対する任意の放射は、公式による
空洞の長さで得られる。 L＝（2n＋1）・D_τ／4＝（2n＋1）・d^２／2λ n＝0、1、...

【００２８】 （発明を実施するための最良の形態） 本発明は、以下の説明と、本発明の制限のない実用例を示した添付図面により
、より明瞭に理解されるであろう。

【００２９】 図１Ａ及び図１Ｂは従来技術を示している。それらは略図的に、S.Anikitchev
他によりドイツ国特許出願明細書第4,325,063号に開示された、Talbot空洞フィ
ルターを具備する環状レーザーと、axiconsをもとにした光ビーム圧縮システム
を示している。符号１は全体的な反射鏡を示し、符号２は管状部分３の光学的ゲ
インの領域を示し、符号３はTalbot空洞フィルターを示し、符号４は半反射型出
力鏡を示し、符号５はビームを圧縮する第一外部円錐状（または環状）面を示し
、ビームＦＲのように出るビームを再コリメートする第二円錐状（または環状）
面を示している。図１Ｂは、Talbotフィルター３の正面であり、そこではアパー
チャ３Ａが、ドイツ国特許第4,325,063号に開示されたように、できるだけ拡大
して示されている。符号ｄは、アパーチャ３Ａの方位、すなわち接線方向の間隔
を示し、ａはアパーチャ３Ａの接線方向の寸法を示し、ｂはそれらの放射方向の
寸法を示し、そしてアパーチャ３Ａの最大半径を示している。

【００３０】 図２は、異なるフィールド分布における位相再調整の効果の図解的な実例であ
り、伝播方向に対して横方向（方位方向）である単一方向を関して図示している
。Ａは調和振動（正弦）場の分布（すなわちピュアモード）であり、Ｂは複数の
奇数ローブで複数の偶数ローブを再調整することによって得られた分布であり、
Ｃは（Talbot空洞フィルターの小さな孔で得られるような）非調和振動場の分布
であり、Ｄはこのフィールドを再調整することによって得られる分布である。Ｅ
は、Talbot長の約1/4の距離にわたって伝播される分布Ｃを表したものであり、
Ｆは分布Ｅを再調整することによって得られる分布であり、結果的に分布Ｆは、
分布Ｂよりも高い基本モードの内容量を有する（ここでフィールドは考えられる
座標に関して均一である）。

【００３１】 図３Ａ、３Ｂ、３Ｃが、本発明による第一実施例の概略図である。符号１１は
全体的な反射鏡を示し、符号１２は管状部分を有する光学的ゲインの領域を示し
、符号１３はTalbot空洞フィルターを示し、符号１４は半反射型出力鏡を示して
いる。符号１５はビームｂを圧縮する第一円錐状（または環状)面を示し、符号
１６はビームＦＲを再コリメートする第二円錐状（環状）面を示している。符号
１７は、搬送プレートまたは窓を示し、その面外形で変調させて、すなわち変調
屈折率で、レーザービームをからの複数のローブの光路を、どの場合でも識別し
、その方法でそれら光路を再調整する。構成要素１５、１６、１７は、レーザー
の共振器の出力鏡１４から距離δＦあけている。図３Ｂには、図３ＡのTalbotフ
ィルター１３のIIIB−IIIBを介した正面図であり、複数のアパーチャ１３Ａが、
接線方向の寸法ａで、間隔ｄであり、それらは位相フィルタリングを適切にする
。図３Ｃは、窓１７の正面図であり、窓がaxiconの前に配置されている。窓の二
つの面の一方の厚さが、周期的に変調され（変えられ）、電磁場の複数の異なっ
たローブの光路を識別する。異なる厚さの二つの領域は、ハッチング入りの領域
と白紙領域とで描かれて、定義されている。

【００３２】 図４Ａ〜４Ｄは、本発明による第二実施例を図示している。符号２１は全体的
な反射鏡を示し、符号２２は管状部分を有する光学的ゲインの領域を示し、符号
２３はTalbot空洞フィルターを示し、符号２４は半反射型出力鏡を示している。
符号２５はビームを圧縮する第一円錐状（または環状)面を示し、符号２６はビ
ームを再コリメートする第二円錐状（環状）面を示している。構成要素２５、２
６は、レーザーの共振器の出力鏡２４から距離δＦあけている。図４ＢはTalbot
フィルター２３の正面図であり、フィルターは寸法ａで間隔ｄの複数のアパーチ
ャ２３Ａを具備し、それらは位相フィルタリングに最適である。第４Ｃ図は、ax
iconの正面図であり、２５Ｍのような第一反射面の厚さが、周期的に変調され（
変えられ）、特に図４Ｄにおいて拡大して詳しく（図面で明確に厚さを強調して
）示している。光路を変化させる。

【００３３】 図4Ａの装置と類似の装置が、構成要素２５上の代わりに構成要素２６上に変
調反射面を有し得る。

【００３４】 図５Ａ及び図５Ｅは概略的に本発明による第三実施例を図示している。符号３
１は、は全体的な反射鏡を示し、符号３２は管状部分を有する光学的ゲインの領
域を示し、符号３３はTalbot空洞フィルターを示し、符号３４は半反射型出力鏡
を示している。符号３５はビームを圧縮する第一円錐状（または環状)面を示し
、符号３６はビームを再コリメートする第二円錐状（環状）面を示している。構
成要素３５、３６は、レーザーの共振器の出力鏡３４から距離δＦあけている。
図５Ｂは（Talbotフィルター２３の正面図であり）、フィルターは寸法ａで間隔
ｄの複数のアパーチャ３３Ａを具備し、それらは位相フィルタリングに最適であ
る。第５Ｃ図では、axiconの正面が、前期実施例の面２５Ｍと類似の方法で、周
期的に変調される厚さ３６Ｍの第二反射面３６Ａを示している。

【００３５】 図示していないが、更なる可能な実施例は、明らかに、フィルタリング窓の前
にaxiconを有し得る。加えた、本技術に精通した者にとって、放射方向における
ビームを圧縮する複数の別のシステムを使用することができることは明らかであ
る。例えば複数の円錐状あるいは環状構成要素が、反射に代えて伝送のため使用
され得るか、または光路がW-axiconとして既知のものを使用することによって、
曲げられえる。それらの変形例は、明らかに本発明による概要の範囲内である。

【００３６】 図6は、本発明による更なる実施例を示している。光ビームを変換する種々の
段階を、より明瞭に示すため、図面はアパーチャ角度が45°（図面ではα）のax
iconの関するものであるが、このシステムの動作機構があまり明確でないとして
も、通常はアパーチャ角度がより大きい方が有利である。

【００３７】 図6の概略図では、ビームが、二つの構成要素５１及び５２によって形成され
た各円錐状（または環状、ここでは第一反射面の場合を示し）面５２ａ、５１ａ
、５２ｂ、５１ｂから、二度はね返っており、これは既にローブを圧縮し且つ再
調整する光学システムの全体的な寸法に関して、有利である。同時に第一の反射
が生じ、ビームが光路Ｃ３に沿って伝播され、光路の寸法がより小さいと、δＦ
よりも小さな距離δＦ″をあけて、光学的条件を再調整する。そして再調整が有
利に、axicon５２の部分５２ｂ上及び／またはaxicon５１の部分５１ｂ上で行わ
れ得る。構成要素５２（及びまたは、構成要素５１）が、部分５２ａの場合で図
示したように、円錐状の代えて環状の反射面の部分５２ａと５２ｂの両方または
一方を、有し得る。この装置に関して、ビームの拡散と寸法の両方を制御できる
。図6には、構成要素５２の反射面５２ａの部分の円錐状（環状）曲線部が、環
状ビームを放射状に再コリメートする。

【００３８】 図7は、周期環状源から得ることができるフィールドの改善例を示している。
図7において、Ａがドイツ国特許第4,326,063号で開示したような最大アパーチャ
によるTalbotフィルタリングの場合の接近フィールド（close field）を示し、
Ｅは相応距離の（または焦点の合った）フィールドを示している。ＢはΔ＝0.8
のTalbotフィルタリングの場合の接近フィールドを示し、Ｆは相応距離のフィー
ルドを示している。二つのフィールドは、明らかに焦点合わせ能力が非常に弱い
。Ｃは二進位相板によって再調整されたフィールドＡを示し、Ｇはその相応距離
のフィールドを示している。Ｄは距離δＦに伝播させ且つ、そこで再調整される
フィールドＢであり、Ｈはその相応距離のフィールドである。このフィールドの
焦点特性が優れたものであると認めることができる。

【００３９】 図8グラフであり、水平軸は、ｍラドで半回折角度を示し、垂直軸は水平軸に
よって定義された立体角に含まれるエネルギーを示しており、任意の角度の円錐
内で集束されるエネルギーのパーセンテージを示し、長い距離を伝播される、す
なわち焦点合わせするフィールドに関して、前記角度を関数として、グラフ上に
示されている。 曲線１→図7のケースＥ 曲線２→図7のケースＦ 曲線３→図７のケースＧ 曲線４、５、６→図7のケースＨ、光路長周囲における様々な距離σＦに関する

【００４０】 これら前記の曲線から、σＦの様々な値が、種々の分布及び、焦点板上のエネ
ルギーの種々の集束を生じさせる。

【００４１】 本発明による典型的な実施例を以下に記載する。

【００４２】 本発明による実施例に関して可能なシステムを、ここで様々な図３、４、５の
情報を参照して説明する。その手段によって、光路が全体的な光路を変えること
（図４、５）によって、または光路（図3）に沿って屈折率を変えることによっ
て、変化させることができる。しかし明らかに、レーザー空洞の多数の他の形態
は、特許明細書US 5,373,525、EP 457,061、EP 610 170、そしてUS 5,648,980に
開示されている形態とは異なり、上記で示された特徴を有する出力ビームを作る
ことができ、そのため本発明による位相フィルタリング方法がまた有利に適用さ
れる。

【００４３】 ここで考えられるレーザーは、上記の公式（３）に開示されているように、選
択された空洞長と環状断面とを有する。空洞は、（図３、４及び5における構成
要素１３または２３あるいは３３として示され）例えば金属プレートから形成さ
れ、一組のアパーチャを備えたフィルターを具備すると仮定し、それらのアパー
チャが方位方向に管状部分の70〜95％に等しい一部分をカバーする。すなわち、
アパーチャがリングの約5〜30％を遮る。

【００４４】 遮ることによる源の出力損失は、等式（３）により、空洞長を選択する方法で
、低く保つことができる。

【００４５】 実際に、無数のアパーチャを有する“アレイ”（技術用語で、そう称される）
に関して、理論レベル（A.A.Golunbentsev,V.V.Likhanskii,A.P.Napartovich,“
Theory of phase locking of an array of lasers”,SPIE Proc.Vol.2109,pp.20
5〜218,1993年）で実施され、空洞（γ）におけるフィールド損失のパーセンテ
ージは、第一近似値において、以下の公式によって計算することができる。 γ＝γ_０｜_Ｌ＝Ｄτ＋（δL／DT）^２・（l／2π・Δ^２）^２ ここでΔは比率a／dであり、ａはリングに関する接線（方位）方向のアパーチャ
の方位寸法であり、ｄはその周期性である。δＬは空洞長と、等式（２）または
（３）により選択されたTalbot長との間の差であり、D_τはTalbot距離でる。γ
ｃ（Ｌ＝Ｄ_τに関して）は、等式（２）または（３）によって定義される、Talb
ot空洞におけるフィールド損失であり、比率Δに依存しない。

【００４６】 これは、フィルターのアパーチャの寸法（すなわちΔのような“フィリングフ
ァクター”はこの分野の文献で使われる）を減らすと、空洞長に対してより敏感
になるが、Talbot距離における損失に影響しない。この点までの記述は、横寸法
が無限であることを考慮できるアレイに関して、理論的に有効である。環状レー
ザーは、無限アレイ（infinite array）にかなり近く、それは（リングが閉じる
ため）方位方向に周期的な、境界条件（すなわち電磁場の結合条件）を有する。
回折の問題は、もしリングが大きくて薄いと、一次元処理法によって、すなわち
伝播に対して横断する一方向のみを考慮した処理法によって、近似することがで
きる。この場合、放射方向のフィールドの動きは、問題となる複数の伝播距離内
で、フィールドの方位分布の特性を変えるないからである。硬式において、この
条件は以下の様に表される。 （πγ）2／λL≫１；b／r≪１ （５） ここでγはリングの平均半径であり、ｂがリングの厚さであり、Ｌが空洞長で、
ラムダが波長である。

【００４７】 この空洞によって放射されるビームは、各アパーチャによって放射されるフィー
ルドの回折を行う距離δＦにわたって伝播され、その様な方法で、できる限りリ
ングの黒領域を占める（すなわちリングの照明を均一にする）ため、この点でロ
ーブが光路と複数の隣接ローブとの間に差を作る、光学的構成要素手段によって
、再調整される。

【００４８】 この機能を動作させる光学的構成要素は、伝送システムの一部として、屈折率
ｎ_１を有する（図３Ａにおいて構成要素17で示された）窓または板の厚さを変調
する（変える）ように形成され得る。屈折率ｎ_１は、通常の伝播媒体（一般的に
空気）の屈折率ｎ_０からの差であり、またこれは、光路を変形させる。

【００４９】 高出力レーザーに関して、それは、再び反射面の外形を変調し、抽出ビームを
形成する種々のローブの光路を変えることによって、反射システムに構成要素を
形成するのに、より便利である。変調は鏡の基板を彫ることによって、または基
板上に複数の薄層を連続して塗って、単数または複数の薄層に塗る工程において
、マスクを配置することによって、行われ（図４、５、６）、その様な方法では
、光路の差の半分（反射時に通路が二倍であるため）と等しい厚さを作るために
ステップを成す。

【００５０】 また源から放射されるビームの放射方向寸法が、ビームの良好な焦点能力を得
ることに関して、極めて重要なパラメータであり、焦点合わせは、管状ビームの
場合、特に方位方向の均一性が良好な場合に、比率b／r（図面特に図1に示した
ように、ここではｂとｒは、放射方向寸法とリングの平均半径である）を増す光
学的手段を使用することによってに改善される。またフィールドを、源によって
照射されるリングを成すアパーチャにわたって より均一にフィールドを分布さ
せる光学的手段を使用することができる。このため、axiconとして知られる光学
的構成要素をもとにした解決手段（例えば、特許明細書DE 4,325,063、US 5,373
,525、US 5,099,492）は、一般的に管状レーザーの任意の型式全てに対して、実
用に適している。これらは、ビームを圧縮することが可能な、円錐状または環状
光学面を具備した光学的構成要素である。この場合は本発明は、システムが上記
を参照した位相フィルタリングに関する光学的位置に、構成要素の面を有し、複
数のローブの位相を均一する方法で設計することによって（これに関しては図３
、４、及び５を参照）、そしてこの面上で外形を変調させる（変える）ことによ
って、有利にこれら光学システムに組み込まれ得る。

【００５１】 これは、図4に示し且つ上記のように、axicon２５、２６を距離δＦだけあけ
て配置し、構成要素２５の第一反射面２５Ｍを変調し（変え)、または図5におい
て、axiconの角度を変化させ、構成要素３６の第二面３６Ｍを変調する（変える
）ことによって、行うことができる。この場合、空洞の外側の光学システムの長
さが、著しく小さくなって、図5における構成要素３５が配置する位置の距離と
等しくなる。この距離は通常、再調整構成要素（この場合に問題となる構成要素
３６は、図5に示されている）の前のビームによって生じる路が、二つに折り畳
まれるので、前記で引用した距離δＦの半分よりも小さい。距離δＦ´は、ビー
ム圧縮システムの（図5における構成要素３５の）第一面によって生じるビーム
の収束作用の許容差を含んだ、計算方法で計算されるべきである。

【００５２】 記述の様に、大きな面領域を有する複数の電極による複数の環状ガスレーザー
の場合、充分に満足である等式（５）によって示された条件において、リング上
のTalbot効果が、図2に示されたような、伝播を横断する単一方向に、フィール
ド分布できる、一次元理論をもとにした計算手段によって、容易に計算できるこ
とに気付くべきであろう。この方法で、一対の光学パラメータΔ（光学空洞内で
のフィルターのフィリングファクター）と、δＦ（抽出ビームの位相を補正する
光路における遅れが、変調外形をした光学的構成要素によって生じさせる距離）
が、第一近似値で選択することができる。

【００５３】 これらの選択の結果は、焦点合わせすべきフィールドのリングにおける（振幅
と位相の両方で）相当な均一性が、リングの基本モードの高いエネルギー含有量
に現れる。この相当な方位方向の均一性は、またaxicon光学要素をもとにしたシ
ステムによって、もたらされるビームの放射圧縮における相当な効率に現れ、そ
の程度は、ビームのエネルギーの90％まで、焦点合わせされたフィールドの中心
ローブへ、伝達することができる。

【００５４】 図面は、本発明による単なる実用例として提供された一実施例をただ示してお
り、この発明は、本発明の概念の範囲内で形式及び配置を変えてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１Ａ】 従来型の環状レーザーの縦断面図

【図１Ｂ】 図１ＡのＩＢ−ＩＢを介して見た図

【図１Ｃ】 図１Ｂの拡大詳細図

【図２】 異なるフィールド分布における位相再調整のグラフであり、水平軸が横（方位
）方向、垂直軸がフィールド振幅を示す

【図３Ａ】 本発明による第一実施例であり、活性プレートを使用して屈折率の差を得る

【図３Ｂ】 本発明による第一実施例であり、活性プレートを使用して屈折率の差を得る

【図３Ｃ】 本発明による第一実施例であり、活性プレートを使用して屈折率の差を得る

【図４Ａ】 反射による光路の変化によって得られる変調を用いた本発明による実施例

【図４Ｂ】 反射による光路の変化によって得られる変調を用いた本発明による実施例

【図４Ｃ】 反射による光路の変化によって得られる変調を用いた本発明による実施例

【図４Ｄ】 反射による光路の変化によって得られる変調を用いた本発明による実施例

【図５Ａ】 図４Ａ〜４Ｄに示されたものと類似の別の実施例

【図５Ｂ】 図４Ａ〜４Ｄに示されたものと類似の別の実施例

【図５Ｃ】 図４Ａ〜４Ｄに示されたものと類似の別の実施例

【図６】 前記のものと類似の他の実施例

【図７】 様々な場合で、周期環状源で得られるフィールドの改善例を比較したもの

【図８】 様々な場合に関して比較したグラフ

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１２年６月２日（２０００．６．２）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ， ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，Ｎ Ｏ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ， ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ビームを集束させるため処理する方法において、幾何学的に
   環状の出力により、単数のレーダまたは複数のレーザーのアレイで放射されるビ
   ーム距離を再調整し、複数のアパーチャの方位方向（すなわち接線方向）の寸法
   と、複数のアパーチャの周期性との間の比率が１よりも小さいことを特徴とする
   方法。
2. 【請求項２】 複数のアパーチャの周期性が、0.7〜0.95の範囲内であるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 パラメータ（フィリングファクター）Δ〜0.7÷0.95を有す
   る周期状空洞フィルターと、数mmの周期性及び約10ミクロンの波長に関して、例
   えば約数十cmの距離δＦをあけて再調整面とによる、環状レーザーの使用法を成
   し、放射フィールドの振幅変化が最小で、位相変化が最大であり、σＦがΔの関
   数として決定するためもので、再調整の位置に関する光路長がΔ（フィリングフ
   ァクター）の変化で変わることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 【請求項４】 集束レーザーエネルギービームを得るためのレーザー源にお
   いて、接線方向において、環状長さの全体範囲の5％〜30％の厚さの複数の黒領
   域を有する、複数のローブに分けられる環状断面のレーザー放射と、複数のビー
   ムを集束させる全体路における光路の、一方のローブから別のローブを選択する
   ことによって、ローブを再調整する変調光学手段とを備えることを特徴とするレ
   ーザー源
5. 【請求項５】 複数のローブに分けられるTalbotフィルターを備えることを
   特徴とする請求項４に記載のレーザー源。
6. 【請求項６】 普通の伝播手段（通常は空気)とは異なる屈折率を有する光
   学プレートを備え、この光学プレートがその複数の面の少なくとも一つに、種々
   の光路によって再調整される、複数のエネルギーローブに対応して変調する厚さ
   を有することを特徴とする請求項４または５に記載のレーザー源。
7. 【請求項７】 二つの円錐状または環状反射面を具備したビーム圧縮システ
   ムを備え、レーザー源であり、 前記反射面の一方または両方が、種々のローブの光線の路を変形し、結果的にそ
   れらを再調整するため、段階的に変調されることを特徴とする請求項４または５
   に記載のレーザー源。
8. 【請求項８】 再調整手段が周期フィルターから距離（δＦ）をあけて配置
   され、実質的に均一な環状照射が、前記複数のローブの回折の結果、得られるこ
   とを特徴とする請求項４から７のいずれか一向に記載のレーザー源。
9. 【請求項９】 二つの円錐状または環状反射面を具備したビーム圧縮システ
   ムを備えたレーザー源であり、 前記反射面の一方または両方が、段階的に変調される厚さを有し、それによって
   複数のローブの間の位相差と、その伝播による位相変調を均一にすることを特徴
   とする請求項４または５に記載のレーザー源。
10. 【請求項１０】 適切に分離され且つ位相偏移される複数のローブに対する
    任意の放射は、公式 L=(2n＋1)・D_τ／4=(2n＋1)・d^２／2λ n=0、1、... による空洞長で得られることを特徴とする請求項４から９のいずれか一項に記載
    のレーザー源。
11. 【請求項１１】 環状断面の複数のビームから良好な光学的品質を得るため
    のレーザー源及びフィルタリング方法が、上記及び添付図面に一例として示され
    たような全てである。