JP2009231741A - レーザ共振器 - Google Patents

Abstract

【課題】パルスレーザを無偏光で発振させることができ、かつ従来よりもレーザ発振のＨｏｌｄ−ｏｆｆ性能を向上させることができるレーザ共振器を提供する。また、ＡＯ−Ｑスイッチを用いて無偏光のレーザ光を回折させる場合でも、レーザ発振のＯＮ／ＯＦＦ（Ｈｏｌｄ−ｏｆｆ）の性能を向上させることができ、かつＡＯ−Ｑスイッチの切り替えの過渡期に、発生するレーザ光のビームプロファイルを均一化できるレーザ共振器を提供する。
【解決手段】無偏光のレーザ光を増幅するレーザ発振器であって、レーザ光の光路１１上に配置された１対又は複数対の直線偏光用のＱスイッチ１２Ａ，１２Ｂを備え、対のＱスイッチによる回折方向が、交互に互に直交する。
【選択図】図５

Description

本発明は、Ｈｏｌｄ−ｏｆｆ性能を向上させるためのレーザ共振器に関する。

高効率のレーザ共振器として、例えば特許文献１〜３が既に提案されている。

特許文献１の「レーザ共振器」は、高効率で波長変換されたレーザ光を得ることを目的とする。
そのため、このレーザ共振器は、図８に示すように、レーザ媒質５０ａおよびレーザ媒質を励起する励起光源５０ｂを有する励起装置５０と、励起装置５０から互いに反対方向に出射される基本波をそれぞれ反射する第１および第２の反射鏡５１，５２と、第１および第２の反射鏡５１，５２により反射された基本波をそれぞれ折り返し反射して励起装置を通して往復させる第３および第４の反射鏡５３，５４と、第１と第３の反射鏡５１，５３との間および第２と第４との反射鏡５２，５４の間に設けられ、基本波の一部を変換して基本波と異なる波長の変換波を出射する第１および第２の非線形光学媒質５６，５７とから成り、第１乃至第４の反射鏡５１，５２，５３，５４は、基本波を反射すると共に第１および第２の非線形光学媒質５６，５７から出射された変換波を透過する波長分離手段でなるものである。

特許文献２の「レーザ共振器及びその組立方法」は、波長変換素子をレーザ光の焦点位置に好適に配置し得ることを目的とする。
そのため、このレーザ共振器は、図９に示すように、レーザ媒質６４からレーザ光を出射してレーザ光の焦点位置に基準点を定める基本光学系に、像転写光学系を付加するレーザ共振器６７であって、像転写光学系は、レーザ光の基準点から複数のレンズ６０，６１の焦点距離ｆ１，ｆ２を用いて像転写の投影点を決定する像転写レンズ手段を備え、投影点には、レーザ光の波長を変更し得る波長変換素子６６を配置して構成されるものである。

特許文献３の「レーザ発振器」は、所望のパルス幅のレーザ光を出力できることを目的とする。
そのため、このレーザ発振器は、図１０に示すように、レーザ媒質７１を挟んで設けられる一対のミラー７３，７４からなる光共振器７６と、この光共振器７６内に励起されるレーザ光をスイッチングするＱスイッチ７２と、光共振器７６内に配置されて光共振器７６内に励起された所定位置の光の像を所定距離離れた位置に転写して光共振器７６の共振器長を調整する像転写光学系７０とを具備するものである。

特開２０００−２１６４６５号公報、「レーザ共振器」 特開２００５−４５１７４号公報、「レーザ共振器及びその組立方法」 特開２００５−７２１３１号公報、「レーザ発振器」

（１）第１の問題点
図１は、Ｑ−スイッチとしてＡＯ−Ｑスイッチを用いたレーザ共振器の従来例である。このレーザ共振器１は、終端ミラー２と出力ミラー３の間にレーザ媒体４（例えばＮｄ：ＹＡＧ等）を配置し、レーザ媒体４と出力ミラー３の間に複数（図で２台）のＡＯ−Ｑスイッチ５を配置している。
すなわち、レーザ発振のＯＮ／ＯＦＦ（Ｈｏｌｄ−ｏｆｆ）の性能を向上させる手段として、この例では２台のＡＯ−Ｑスイッチ５を直列に並べている。なおこの図で６は出力レーザであり、Ｑ−スイッチを用いる場合にはパルスレーザ光である。

図２は、直線偏光用（Ａ）と無偏光用（Ｂ）のＱ-スイッチの作動説明図である。
Ｑ−スイッチを用いるパルスレーザは、直線偏光で発振させる場合と無偏光で発振させる場合がある。両者はＱスイッチ素子の最適設計が異なるため、各々専用の素子を使用する。

図２（Ａ）の直線偏光用のＱスイッチ５Ａは、特定の１方向（Ｑスイッチの最適な偏光方向ｃ）の偏光成分Ｙに対して高い回折能力（例えば、無偏光用の３倍）を持つが、それに直交する偏光成分Ｘに対しては回折能力が低い。
そのため、直線偏光用のＱスイッチ５Ａを、直線偏光動作以外（無偏光）のレーザに用いても、Ｈｏｌｄ−ｏｆｆ性能が低下してしまう。
特に高出力レーザにおいては、複数のＱスイッチ５Ａを直列に並べても、回折能力が低い方の偏光成分Ｘが十分に回折しきれず、より高いＨｏｌｄ−ｏｆｆ性能が必要な高出力レーザにおいてＨｏｌｄ−ｏｆｆ状態を維持することができず、寄生発振等が生じやすい問題点があった。

一方、図２（Ｂ）の無偏光用のＱスイッチ５Ｂは、両方の偏光成分Ｘ、Ｙに対して均等な回折能力を持つが、回折能力が直線偏光用のＱスイッチよりも大幅に低い（例えば、直線偏光用の１／３）ため、複数のＱスイッチ５Ｂを直列に並べても、Ｈｏｌｄ−ｏｆｆ性能が不足して寄生発振が起きることがある問題点があった。

（２）第２の問題点
図３は、ＡＯ−Ｑスイッチ５の作動説明図である。ＡＯ−Ｑスイッチ５は、音響光学効果（Ａｃｕｓｔｏ Ｏｐｔｉｃａｌ ｅｆｆｅｃｔ）を利用したＱスイッチであり、音響光学効果を有する媒体（石英など）に超音波ａを伝播させると、一種の回折格子として入射レーザ６ａをある角度（回折角）で回折反射し、超音波を停止すると直進させる特性を利用するものである。回折反射光８を「１次回折光」、直進光９を「０次光」と呼ぶ。

ＡＯ−Ｑスイッチ５は媒体の１側面にピエゾ素子等を貼り付けた構造である。すなわち、Ｑスイッチとして、ピエゾ素子に電圧を印加して超音波ａを伝播させ入射レーザを回折反射する状態がＯＦＦであり、電圧印加を中止し入射レーザを直進させる状態がＯＮである。

図４は、ＡＯ−Ｑスイッチ５の回折光８によるレーザへの影響を示す説明図である。
上述したように、ＡＯ−Ｑスイッチ５は入射レーザ光７を特定の方向に回折させることによりＨｏｌｄ−ｏｆｆを行っているが、Ｈｏｌｄ−ｏｆｆを切ってレーザが発振を開始するときには過渡状態であるため回折光８が残留しており、これがレーザ発振に影響を与える。すなわち、回折光８は回折方向の平面８ａ上にあり、その回折方向が不均等であるためレーザ光に不均等な影響を与え、ビームプロファイル形状（強度分布）の不均一化の原因になる。

そのため、図１のように、複数（２台）のＡＯ−Ｑスイッチ５を直列に並べると、ＡＯ−Ｑスイッチ５のＨｏｌｄ−ｏｆｆを切ってレーザが発振を開始する際の過渡状態における回折光の影響がさらに大きくなり、ビームプロファイル形状（強度分布）が不均一になりすぎる問題点があった。

本発明は、上記（１）及び（２）の問題点を解決するために創案されたものである。
すなわち、本発明の目的は、パルスレーザを無偏光で発振させることができ、かつ従来よりもレーザ発振のＨｏｌｄ−ｏｆｆ性能を向上させることができるレーザ共振器を提供することにある。また、本発明の別の目的は、ＡＯ−Ｑスイッチを用いて無偏光のレーザ光を回折させる場合でも、レーザ発振のＯＮ／ＯＦＦ（Ｈｏｌｄ−ｏｆｆ）の性能を向上させることができ、かつＡＯ−Ｑスイッチの切り替えの過渡期に、発生するレーザ光のビームプロファイルを均一化できるレーザ共振器を提供することにある。

本発明によれば、無偏光のレーザ光を増幅するレーザ発振器であって、
前記レーザ光の光路上に配置された１対又は複数対の直線偏光用のＱスイッチを備え、
該対のＱスイッチによる回折方向が、交互に互に直交する、ことを特徴とするレーザ発振器が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記対のＱスイッチは、回折方向が互に直交するように配置されている。この場合、前記直線偏光用のＱスイッチは、ＡＯ−Ｑスイッチであってもよい。

また、別の好ましい実施形態によれば、前記対のＱスイッチは、回折方向が同一になるように配置され、
さらにその間に偏光面を９０°回転させる偏光回転素子を備える。

また、本発明によれば、無偏光のレーザ光を増幅するレーザ発振器であって、前記レーザ光の光路上に配置された直線偏光用のＱスイッチと、該Ｑスイッチを通過したレーザ光を折り返す反射ミラーと、該反射ミラーと前記対のＱスイッチの間に配置された１／４波長板又はファラデーローテータとを備える、ことを特徴とするレーザ発振器が提供される。

上記本発明の構成によれば、無偏光のレーザ光を増幅するレーザ発振器の場合に、対の直線偏光用のＱスイッチによる回折方向が、交互に互に直交し、直交する両方の偏光成分に対して幾何学的に均等になるため、素子単体で不均等な直線偏光のＱスイッチ素子を無偏光のレーザに使用することができる。

また、直線偏光用のＱスイッチは回折能力が無偏光のものより高いため、直線偏光用のＱスイッチ素子を無偏光のレーザに使用することでＨｏｌｄ−ｏｆｆ性能を向上させることができ、より高出力のレーザ装置に対応可能となる。

特に、対のＡＯ−Ｑスイッチを回折方向が互に直交するように配置した場合には、直交する２方向に対して均等に回折が起こり、ＡＯ−Ｑスイッチの切り替えにおける過渡期の影響が直交する２方向に分散される効果が生じる。これにより、ビームプロファイル形状（強度分布）を直交する２方向に均一化できる。したがって、複数のＡＯ−Ｑスイッチを直列に並べてレーザ発振のＯＮ／ＯＦＦ（Ｈｏｌｄ−ｏｆｆ）の性能を向上させることができ、かつＡＯ−Ｑスイッチの切り替えの過渡期に、発生するレーザ光のビームプロファイルを均一化できる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図５は、本発明によるレーザ共振器の第１実施形態図である。この図において、本発明のレーザ共振器１０は、無偏光のレーザ光を増幅するレーザ発振器である。
このレーザ共振器１０は、対の直線偏光用のＱスイッチ１２Ａ，１２Ｂと、図示しないレーザ媒体と１対の反射ミラーを備える。対のＱスイッチ１２Ａ，１２Ｂは、この例では、１対（２台）であるが、複数対であってもよい。直線偏光用のＱスイッチは、この例ではＡＯ−Ｑスイッチである。
以下、Ｑスイッチが１対の場合を説明する。

レーザ媒体（図示せず）は、例えばＮｄ：ＹＡＧ等の固体レーザ媒体であり、図示しない励起源により励起され レーザ光を出射する。このレーザ光は、出射時点から直線偏光であるのが好ましい。しかし、偏光フィルタ等を用いて円偏光を直線偏光に変換してもよい。

１対の反射ミラー（図示せず）は、全反射ミラーと半反射ミラーからなり、その間にレーザ媒体を軸方向に挟んで設けられ、その間で直線偏光のレーザ光を往復させて光共振によりレーザ光を増幅し、半反射ミラーを透してレーザ光を外部に出射するようになっている。

図５において、１対のＡＯ−Ｑスイッチ１２Ａ，１２Ｂは、レーザ光の光路１１上に配置され、交互に直交する回折方向ｂを有する。なお、ｃは各Ｑスイッチの最適な偏光方向であり、それぞれ回折方向ｂに対し、直交する。また、Ｘ、Ｙは各Ｑスイッチを通過する直線偏光の偏光方向を示している。この偏光方向Ｘ、Ｙは、それぞれ各Ｑスイッチの最適な偏光方向ｃと一致する。

ＡＯ−Ｑスイッチは、直線偏光用のＱスイッチ素子であり、特定の方向（最適な偏光方向ｃ）の偏光成分に対して、無偏光専用のＱスイッチ素子よりも３倍程度の高い回折能力を有する。
しかし、ＡＯ−Ｑスイッチは、最適な偏光方向ｃに直交する偏光成分に対しては回折能力が低く、特に高出力レーザにおいては、回折能力が低い方の偏光成分は十分に回折しきれず、より高いＨｏｌｄ−ｏｆｆ性能が必要な高出力レーザにおいてＨｏｌｄ−ｏｆｆ状態を維持することができないことがある。

上述した第１実施形態の構成により、偏光方向Ｘ，Ｙの両成分を含む無偏光のレーザ光が偏光方向Ｙと同一の偏光方向ｃに最適なＡＯ−Ｑスイッチ１２Ａを通過し、次いで偏光方向Ｘと同一の偏光方向ｃに最適なＡＯ−Ｑスイッチ１２Ｂを通過する。
また、図示しないレーザ媒体と１対の反射ミラーにより、その間で直線偏光のレーザ光を往復させて光共振によりレーザ光を増幅し、半反射ミラーを透してレーザ光を外部に出射する。

従って、対の直線偏光用のＱスイッチ１２Ａ，１２Ｂによる回折方向が、交互に互に直交し、直交する両方の偏光成分Ｘ，Ｙに対して幾何学的に均等になるため、素子単体で不均等な直線偏光のＱスイッチ素子を無偏光のレーザに使用することができる。
また、直線偏光用のＱスイッチ（この例でＡＯ−Ｑスイッチ）は回折能力が無偏光のものより高いため、直線偏光用のＱスイッチ素子を無偏光のレーザに使用することでＨｏｌｄ−ｏｆｆ性能を向上させることができ、より高出力のレーザ装置に対応可能となる。

また、対のＡＯ−Ｑスイッチ１２Ａ，１２Ｂは、回折方向が互に直交するように配置されているので、ＡＯ−Ｑスイッチの切り替えにおける過渡期の影響が直交する２方向に分散される効果が生じる。これにより、ビームプロファイル形状（強度分布）を直交する２方向に均一化できる。したがって、複数のＡＯ−Ｑスイッチを直列に並べてレーザ発振のＯＮ／ＯＦＦ（Ｈｏｌｄ−ｏｆｆ）の性能を向上させることができ、かつＡＯ−Ｑスイッチの切り替えの過渡期に、発生するレーザ光のビームプロファイルを均一化できる。

図６は、本発明によるレーザ共振器の第２実施形態図である。この図において、本発明のレーザ共振器１０は、無偏光のレーザ光を増幅するレーザ発振器である。
このレーザ共振器１０は、レーザ光の光路１１上に配置された対のＱスイッチ１４Ａ，１４Ｂとその間に配置された偏光回転素子１６を備える。対のＱスイッチ１４Ａ，１４Ｂは、この例では、１対（２台）であるが、複数対であってもよい。直線偏光用のＱスイッチの種類は特に限定されないが、例えばＡＯ−Ｑスイッチを用いることができる。
以下、Ｑスイッチが１対の場合を説明する。

この例では、１対のＱスイッチ１４Ａ，１４Ｂは、回折方向ｂが同一になるように配置されている。
また、偏光回転素子１６は、例えば１／２波長板又は像回転プリズムであり、通過する無偏光のレーザ光の偏光方向（偏光面）を９０°回転させるようになっている。無偏光のレーザ光は、偏光方向Ｘ，Ｙの両成分を含むので、偏光回転素子１６を通過すると、両成分が交互に反転する。
その他の構成は、第１実施形態と同様である。

上述した第２実施形態の構成により、偏光方向Ｘ，Ｙの両成分を含む無偏光のレーザ光が偏光方向Ｙと同一の偏光方向ｃに最適なＡＯ−Ｑスイッチ１４Ａを通過し、偏光回転素子１６により偏光面を９０°回転して偏光方向Ｘ，Ｙの両成分が反転し、次いで偏光方向Ｘと同一の偏光方向ｃに最適なＡＯ−Ｑスイッチ１４Ｂを通過する。
また、図示しないレーザ媒体と１対の反射ミラーにより、その間で直線偏光のレーザ光を往復させて光共振によりレーザ光を増幅し、半反射ミラーを透してレーザ光を外部に出射する。

従って、１対のＡＯ−Ｑスイッチ１４Ａ，１４Ｂにより、両方のＱスイッチ素子に対してそれぞれ順に最適な偏光方向Ｙ，Ｘの偏光成分に対して強く回折させることができ、これにより直交する２方向Ｘ、Ｙに対して均等に回折が起こり、その回折方向が、交互に互に直交し、直交する両方の偏光成分に対して幾何学的に均等になるため、素子単体で不均等な直線偏光のＱスイッチ素子を無偏光のレーザに使用することができる。
また、直線偏光用のＱスイッチは回折能力が無偏光のものより高いため、直線偏光用のＱスイッチ素子を無偏光のレーザに使用することでＨｏｌｄ−ｏｆｆ性能を向上させることができ、より高出力のレーザ装置に対応可能となる。

図７は、本発明によるレーザ共振器の第３実施形態図である。この図において、本発明のレーザ共振器１０は、無偏光のレーザ光を増幅するレーザ発振器である。
このレーザ共振器１０は、レーザ光１１の光路上に配置されたＱスイッチ１８Ａ，１８Ｂと、反射ミラー２４と、１／４波長板又はファラデーローテータ２６を備える。本実施形態ではＱスイッチは２つ（１８Ａ，１８Ｂ）配置されているが、一つであってもよい。また、Ｑスイッチ１８Ａ，１８Ｂは、１対でも、複数対でもよい。また、Ｑスイッチ１８Ａ，１８Ｂは、回折方向が互に直交しても、同一でもよい。直線偏光用のＱスイッチの種類は特に限定されないが、例えばＡＯ−Ｑスイッチを用いることができる。
以下、Ｑスイッチが１対の場合を説明する。

反射ミラー２４は、１対のＡＯ−Ｑスイッチ１８Ａ，１８Ｂを通過したレーザ光を同一の光路１１に折り返す機能を有する。反射ミラー２４は、終端ミラーと出力ミラーのどちらであってもよい。

１／４波長板又はファラデーローテータ２６は、反射ミラー２４とＡＯ−Ｑスイッチ１８Ａ，１８Ｂの間に配置され、反射ミラー２４で折り返される往復で、偏光面を９０°回転させる機能を有する。
その他の構成は、第１実施形態と同様である。

上述した第３実施形態の構成により、偏光方向Ｘ，Ｙの両成分を含む無偏光のレーザ光が偏光方向Ｙと同一の偏光方向ｃに最適なＡＯ−Ｑスイッチ１８Ａ，１８Ｂを通過し、１／４波長板又はファラデーローテータ２６と反射ミラー２４により偏光面を９０°回転して偏光方向Ｘ，Ｙの両成分の方向が逆転し、次いで再度偏光方向Ｙと同一の偏光方向ｃに最適なＡＯ−Ｑスイッチ１８Ａ，１８Ｂを通過する。
また、図示しないレーザ媒体と別の反射ミラーにより、その間で直線偏光のレーザ光を往復させて光共振によりレーザ光を増幅し、半反射ミラーを透してレーザ光を外部に出射する。

従って、ＡＯ−Ｑスイッチ１８Ａ，１８Ｂに入射するレーザ光は、反射ミラーに向かって進む場合には、Ｑスイッチの最適な偏光方向ｃと一致する偏光成分が強く回折させられる。次に、反射ミラー２４で反射してから１／４波長板又はファラデーローテータ２６を通過してＡＯ−Ｑスイッチ１８Ａ，１８Ｂに入射するレーザ光は、反射前に入射したレーザ光に対して偏光方向が９０°回転させられており、Ｑスイッチの最適な偏光方向ｃと一致する偏光成分が強く回折させられる。

これにより、レーザ光における直交する偏光成分の両方が、Ｑスイッチ１８Ａ，１８Ｂの最適な偏光方向ｃと一致することで、回折能力が無偏光のものより高い直線偏光用のＱスイッチ１８Ａ，１８Ｂにより、直交する偏光成分の両方を高効率に回折させることができる。したがって、Ｈｏｌｄ−ｏｆｆ性能を向上させることができ、より高出力のレーザ装置に対応可能となる。なお、この例では、ＡＯ−Ｑスイッチは１台であっても同様の効果が得られる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

ＡＯ−Ｑスイッチを用いたレーザ共振器の従来例である。 直線偏光用（Ａ）と無偏光用（Ｂ）のＱ-スイッチの作動説明図である。 ＡＯ−Ｑスイッチの作動説明図である。 ＡＯ−Ｑスイッチの回折光によるレーザへの影響を示す説明図である。 本発明によるレーザ共振器の第１実施形態図である。 本発明によるレーザ共振器の第２実施形態図である。 本発明によるレーザ共振器の第３実施形態図である。 特許文献１の「レーザ共振器」の模式図である。 特許文献２の「レーザ共振器」の模式図である。 特許文献３の「レーザ発振器」の模式図である。

符号の説明

１０ レーザ共振器、１１ レーザ光の光路、
１２Ａ，１２Ｂ 直線偏光用のＱスイッチ（ＡＯ−Ｑスイッチ）、
１４Ａ，１４Ｂ 直線偏光用のＱスイッチ（ＡＯ−Ｑスイッチ）、
１６ 偏光回転素子（１／２波長板又は像回転プリズム）、
１８Ａ，１８Ｂ 直線偏光用のＱスイッチ（ＡＯ−Ｑスイッチ）、
２４ 反射ミラー、
２６ １／４波長板又はファラデーローテータ

Claims (5)

1. 無偏光のレーザ光を増幅するレーザ発振器であって、
   前記レーザ光の光路上に配置された１対又は複数対の直線偏光用のＱスイッチを備え、
   該対のＱスイッチによる回折方向が、交互に互に直交する、ことを特徴とするレーザ発振器。
2. 前記対のＱスイッチは、回折方向が互に直交するように配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振器。
3. 前記直線偏光用のＱスイッチは、ＡＯ−Ｑスイッチである、ことを特徴とする請求項２に記載のレーザ発振器。
4. 前記対のＱスイッチは、回折方向が同一になるように配置され、
   さらにその間に偏光面を９０°回転させる偏光回転素子を備える、ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振器。
5. 無偏光のレーザ光を増幅するレーザ発振器であって、
   前記レーザ光の光路上に配置された直線偏光用のＱスイッチと、
   該Ｑスイッチを通過したレーザ光を折り返す反射ミラーと、
   該反射ミラーと前記対のＱスイッチの間に配置された１／４波長板又はファラデーローテータとを備える、ことを特徴とするレーザ発振器。

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