JP2011204942A - レーザ発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた偏光消光比を持つ軸対称偏光ビームを発生できるレーザ発振器を提供する。
【解決手段】レーザ発振器は、リアミラー４および出力ミラー１を有する往復型の光共振器と、光共振器内に設けられ、光を増幅するためのレーザ媒質と、光共振器の光軸を折り返すための１つまたは複数の折り返しミラー２，３とを備え、折り返しミラー３は、ラジアル偏光の反射率とアジマス偏光の反射率が互いに異なる反射型回折光学素子で構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、軸対称偏光ビームを発生するレーザ発振器に関する。

図３は、従来のレーザ発振器の一例を示す構成図である。このレーザ発振器は、下記の非特許文献１で提案されたものであり、部分反射鏡からなる出力ミラー５１と、折り返しミラー５２，５３と、リアミラー５４とを備え、リアミラー５４は、ラジアル偏光を発生させるための反射型回折光学素子で構成される。レーザ光は、折り返しミラー５２，５３を介してリアミラー５４と出力ミラー５１の間を往復することにより発振し、その一部が出力ミラー５１を通過し、レーザ光ＬＢとして共振器外部に取り出される。

リアミラー５４を構成する反射型回折光学素子は、ラジアル偏光の反射率Ｒｒとアジマス偏光の反射率Ｒａが互いに異なっており、例えば、ラジアル偏光のレーザ光ＬＢを発生する場合は、Ｒｒ＞Ｒａとなるように設計される。

J. Phys. D: Appl. Phys. 32 (1999) 2871-2875

図３に示したレーザ発振器では、ラジアル偏光を発生するための反射型回折光学素子を共振器終端のリアミラーとして採用している。光が共振器内を往復する際、１往復あたり１回だけ反射型回折光学素子で反射する。このためラジアル偏光の反射率Ｒｒとアジマス偏光の反射率Ｒａの差ΔＲが小さいと、ラジアル偏光が十分に選択されず、所望のラジアル偏光が得られないことがある。また、ΔＲを大きくしてラジアル偏光の選択性を高めるためには、反射型回折光学素子の設計、製作が困難になり、製作コストが増加することがある。

さらに、一般のＣＯ_２レーザ発振器において、リアミラーは平面ミラーではなく、ある程度曲率が付いたものを使用する場合が多い。この場合、曲率ミラー表面に、偏光選択性を有する回折光学素子を形成する必要があり、製作が極めて困難になる。

また、ラジアル偏光を選択する回折光学素子を透過型の媒質で製作することも考えられる。しかしながら、この場合は、レーザ光が媒質内を通過することによって熱分布が発生し、ビーム径が出力により変動するという別の影響が現れる。こうした熱レンズの影響は、レーザ光の出力が高くなるほど増大する。

本発明の目的は、優れた偏光消光比を持つ軸対称偏光ビームを発生できるレーザ発振器を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ発振器は、
リアミラーおよび出力ミラーを有する往復型の光共振器と、
光共振器内に設けられ、光を増幅するためのレーザ媒質と、
光共振器の光軸を折り返すための１つまたは複数の折り返しミラーとを備え、
折り返しミラーの少なくとも１つは、ラジアル偏光の反射率とアジマス偏光の反射率が互いに異なる反射型回折光学素子で構成されることを特徴とする。

本発明によれば、軸対称偏光依存性を有する反射型回折光学素子を光共振器の折り返しミラーとして使用することによって、光が共振器内を往復する際、反射型回折光学素子で反射する回数が光共振器のリアミラーとして使用した場合と比べて２倍になり、反射型回折光学素子による偏光選択性を大幅に高めることができる。その結果、優れた偏光消光比を持つ軸対称偏光ビームを発生できる。また、反射型回折光学素子の設計、製作が容易になり、装置全体のコストを削減できる。

本発明の実施の形態１によるレーザ発振器を示す構成図である。 図２（ａ）は、反射型回折光学素子の一例を示す平面図であり、図２（ｂ）は、半径方向に沿った部分断面図である。 従来のレーザ発振器の一例を示す構成図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるレーザ発振器を示す構成図である。レーザ発振器は、出力ミラー１と、折り返しミラー２，３と、リアミラー４と、一対の放電電極５などを備え、出力ミラー１とリアミラー４の間で往復型の光共振器を構成する。光共振器は、出力ミラー１およびリアミラー４の各曲率半径に応じて、平行平面型、共中心型、共焦点型、半共焦点型などに分類されるが、本発明はいずれの形式の光共振器にも適用可能である。

出力ミラー１は、部分反射鏡で構成され、光共振器の内部で増幅されたレーザ光の一部を取り出す機能を有し、共振器外部にレーザ光ＬＢを発生する。リアミラー４は、好ましくは完全反射鏡で構成され、光共振器の内部で増幅されたレーザ光を同軸方向に反射する機能を有する。

折り返しミラー２，３は、一般に平面ミラーで構成され、光共振器の光軸を折り返す機能を有し、これにより装置の小型化とともに大きな共振器長を確保している。ここでは、２つの折り返しミラー２，３を用いた、いわゆるＺ型共振器を例として説明するが、１つの折り返しミラーを用いたＶ型共振器やＬ型共振器、３つ以上の折り返しミラーを用いたＷ型共振器などにも本発明は適用可能である。

放電電極５は、光共振器の内部に供給されたレーザ媒質を放電によって励起する機能を有する。ここでは、レーザ媒質の流れ方向７（紙面垂直）、放電電極５の放電方向、および光共振器の光軸が互いに直交した三軸直交型レーザ発振器を例として説明するが、３つの方向が同軸である同軸流型レーザ発振器やその他のレーザ発振器などにも本発明は適用可能である。レーザ媒質として、一般にＣＯ_２、ＣＯ、エキシマなどが使用できる。

本実施形態において、折り返しミラーの少なくとも１つ、例えば、折り返しミラー３を、ラジアル偏光の反射率Ｒｒとアジマス偏光の反射率Ｒａが互いに異なる反射型回折光学素子で構成している。

図２（ａ）は、反射型回折光学素子の一例を示す平面図であり、図２（ｂ）は、半径方向に沿った部分断面図である。反射型回折光学素子は、銅基板もしくはシリコン基板を旋盤で削りだしてリッジ部ＲＧを形成した後、金蒸着もしくは誘電体多層膜を積層したもの、あるいはシリコン基板の上に、平坦な表面を有するＴｉ層と、リッジ部ＲＧを形成するＣｕ層とが積層されたものである。ラジアル偏光を優勢に発振させる場合は、図２（ａ）に示すように、多数のリッジ部ＲＧが同心円状に形成されたグレーティング構造を有し、Ｒｒ＞Ｒａを満たす反射型回折光学素子を使用する。ここで、リッジ部の周期、高さなどを適当に選ぶことによってＲｒ＜Ｒａを満たす反射型回折光学素子を作ることも可能でありアジマス偏光を優勢に発振させることもできる。ここで、ｄはリッジ部の幅、ｈはリッジ部の高さ、Λはリッジ部の周期である。

次に、動作を説明する。光共振器の内部には、レーザ媒質とバッファガスを混合したレーザガスが充填されている。レーザガスは、送風機（不図示）を用いて方向７に沿って放電電極５の間の空間に連続的に供給されながら、放電によって励起される。光は、出力ミラー１、折り返しミラー２，３、リアミラー４で反射しながら光共振器の光路を往復することにより、励起されたレーザガスによって増幅される。増幅されたレーザ光の一部は、出力ミラー１を介して外部に取り出され、レーザ光ＬＢを発生する。

このとき折り返しミラー３として、図２に示すような同心円状のグレーティングを有する反射型回折光学素子を使用した場合、ラジアル偏光の反射率Ｒｒがアジマス偏光の反射率Ｒａを上回る。詳細には、反射型回折光学素子のグレーティングのリッジ部ＲＧの幅ｄを波長程度またはそれ以下に設定すると、リッジ部上面のカットオフ電流はリッジ部に沿う方向（円周方向）には流れやすいが、リッジ部と垂直方向（径方向）には流れにくくなる。その結果、リッジ部は、リッジ部に沿った偏光を良く反射する（乱す）性質を有することになる。ここで、リッジ部の高さに応じて、基板表面からの反射とリッジ部上面からの反射には位相差が生じる。従って、リッジ部の高さを適切に選ぶことによって、リッジ部からの反射光を基板表面からの反射光と協調的に作用させたり、あるいは破壊的に作用させたりして、偏光依存の反射率を制御することができる。図２に示した反射型回折光学素子の場合は、アジマス偏光の反射光同士を破壊的に作用させて、ラジアル偏光を優勢に発振させることができる。なお、ここでは同心円状のグレーティングを例示しているが、完全な同心円ではなく各円の中心が多少偏心したものでも同様の効果が得られる。

反射型回折光学素子のリッジ部の周期Λは、光の波長程度の長さで、リッジ部の幅ｄはそれ以下に設定することが好ましい。例えば、ＣＯ_２レーザでは発振波長１０．６μｍであり、リッジ部の幅ｄはサブミクロン〜ミクロンオーダーとなる。また、ラジアル偏光とアジマス偏光の分離を良くするためには、リッジ部の高さｈはミクロンオーダーとなり、場合によってはリッジ部の幅より大きな値となる。しかしながら、幅がサブミクロン〜ミクロンオーダーのリッジ部を作るのは高精度の加工技術が要求され、製作費用も高くなる。また、リッジ部の高さｈがリッジ部の幅ｄより大きくなると、加工が難しくなるうえ、リッジ部が壊れやすい構造になり、取り扱いが容易ではない。製作あるいは取り扱いを容易にするために、リッジ部の幅ｄを大きくし、高さｈを低くすると、今度はラジアル偏光とアジマス偏光の分離が悪くなる結果となる。

例えば、図２に示した反射型回折光学素子において、リッジ部分の幅ｄを０．８μｍ、リッジ部分の高さｈを０．８μｍ、リッジ部分の周期Λを１６μｍ、ミラーコート材質を金コートとした場合、ラジアル偏光の反射率Ｒｒは９８．９％、アジマス偏光の反射率Ｒａは９６．７％となる。

一方、図２に示した反射型回折光学素子において、リッジ部分の幅ｄを１．６μｍ、リッジ部分の高さｈを０．５μｍ、リッジ部分の周期Λを１６μｍ、ミラーコート材質を金コートとした場合、ラジアル偏光の反射率Ｒｒは９８．６％、アジマス偏光の反射率Ｒａは９７．８％となる。

前者では、ラジアル偏光とアジマス偏光の反射率の差は２％以上あるが、リッジ部の高さｈと幅ｄが同じぐらいのオーダーとなっており、製作が容易ではない上、リッジ部が壊れやすく取り扱いが困難である。

後者では、リッジ部の高さｈに対してその幅ｄは３倍以上あり、取り扱いが容易となるが、ラジアル偏光とアジマス偏光の反射率の差は０．８％程度である。これは、通常のＣＯ_２レーザ用反射ミラーとして使用される４５°入射の金コートミラーと同程度のオーダーであり、十分な偏光選択性があるとはいいがたい。十分な偏光選択性を持たせるためには１％以上の反射率差が望ましい。このため反射型回折光学素子を共振器のリアミラーに使用してラジアル偏光を発生させるためにはリッジ部の高さｈをリッジ部の幅ｄ以上にする必要があり、上述したように製作費用の増大、取り扱いの困難さを招く原因となる。

さらに、通常のＣＯ_２レーザ共振器は、リアミラーとして曲率ミラーを用いており、曲率ミラーの表面上に反射型回折光学素子を形作るのは非常に難しい。

本発明では、製作および取り扱いが容易なリッジ部の高さｈがリッジ部の幅ｄより小さい反射型回折光学素子を用い、さらにこれを共振器内部の折り返しミラーとして採用することにより、ラジアル偏光とアジマス偏光の分離を良くし、高品質のラジアル偏光ビームあるいはアジマス偏光ビームを得ることが可能になる。

図１に示したように、共振器内部の折り返しミラー３として反射型回折光学素子を用いた場合、光は光共振器を１回往復するごとに、反射型回折光学素子で２回反射する。このため反射型回折光学素子をリアミラーとして用いた場合と比べて、ラジアル偏光の反射率Ｒｒとアジマス偏光の反射率Ｒａの差ΔＲによる偏光制御の効果は２回反射分だけ増加することが期待できる。

例えば、前述と同様に、ｄ＝１．６μｍ、ｈ＝０．５μｍ、Λ＝１６μｍで金コートの反射型回折光学素子を用いた場合、１回反射では、ラジアル偏光の反射率Ｒｒ＝９８．６％、アジマス偏光の反射率Ｒａ＝９７．８％で、両者の差ΔＲ＝０．８％である。一方、２回反射では、ラジアル偏光の反射率Ｒｒ＝９７．２％（＝０．９８６×０．９８６）、アジマス偏光の反射率Ｒａ＝９５．６％（＝０．９７８×０．９７８）となり、両者の差ΔＲは１．６％に増加し、偏光選択性が大幅に高くなる。

これによりラジアル偏光とアジマス偏光の分離、即ち、偏光消光比をより改善でき、純度の高い高品質のラジアル偏光ビームが得られる。さらに、リアミラーとして通常の曲率ミラーを採用することができるため、より安価にラジアル偏光を発生するレーザ発振器が実現できる。

こうしたラジアル偏光のレーザ光を発生するレーザ発振器は、レーザ加工装置に利用できる。レーザ光を集光した場合、集光ビームの偏光が全てｐ成分となって、効率的な切断や溶接を実現できる。また、ラジアル偏光のレーザ光は、高解像度顕微鏡や光ピンセットにも応用可能である。

１ 出力ミラー、 ２，３ 折り返しミラー、 ４ リアミラー、 ５ 放電電極、
７ レーザ媒質の流れ方向、 ＬＢ レーザ光、 ＲＧ リッジ部。

Claims (4)

1. リアミラーおよび出力ミラーを有する往復型の光共振器と、
   光共振器内に設けられ、光を増幅するためのレーザ媒質と、
   光共振器の光軸を折り返すための１つまたは複数の折り返しミラーとを備え、
   折り返しミラーの少なくとも１つは、ラジアル偏光の反射率とアジマス偏光の反射率が互いに異なる反射型回折光学素子で構成されることを特徴とするレーザ発振器。
2. 反射型回折光学素子は、ラジアル偏光の反射率がアジマス偏光の反射率を上回る同心円状のグレーティング構造を有することを特徴とする請求項１記載のレーザ発振器。
3. グレーティング構造は、所定幅および所定高さを有するリッジ部が所定周期で同心円状に配置されたものであり、
   リッジ部の幅は、リッジ部の高さより大きいことを特徴とする請求項２記載のレーザ発振器。
4. リッジ部の幅は、リッジ部の高さの３倍以上であることを特徴とする請求項３記載のレーザ発振器。