JP2011204943A - Laser oscillator and reflective diffraction optical element - Google Patents
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Abstract
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。また本発明は、軸対称偏光を制御するための反射型回折光学素子に関する。 The present invention relates to a laser oscillator that generates an axially symmetric polarized beam. The present invention also relates to a reflective diffractive optical element for controlling axially symmetric polarized light.
図１４（ａ）は、従来のレーザ発振器の一例を示す構成図であり、図１４（ｂ）は、ビームの偏光方向を示す断面図である。このレーザ発振器は、下記の特許文献１で提案されたものであり、リアミラー２１と出力ミラー２２とを含む光共振器２０を備える。リアミラー２１は凹面鏡として構成され、その表面にはラジアル偏光を発生させるための回折光学素子２６が形成されている。 FIG. 14A is a configuration diagram showing an example of a conventional laser oscillator, and FIG. 14B is a cross-sectional view showing the polarization direction of the beam. This laser oscillator is proposed in the following Patent Document 1 and includes an optical resonator 20 including a rear mirror 21 and an output mirror 22. The rear mirror 21 is configured as a concave mirror, and a diffractive optical element 26 for generating radial polarization is formed on the surface thereof.
図１５（ａ）は、回折光学素子２６の形状を示す全体斜視図、図１５（ｂ）は回折光学素子の径方向に沿った断面図である。回折光学素子２６は、多数のリッジ部２７が同心円状に形成されたグレーティング構造を有する。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。こうした構造により、ラジアル偏光（ＴＭ偏光）の反射率がアジマス偏光（ＴＥ偏光）の反射率より高くなる。このとき回折格子の断面構造はリッジ部の幅ｄが回折格子の周期Λに対して十分小さくなるようになっている。 15A is an overall perspective view showing the shape of the diffractive optical element 26, and FIG. 15B is a cross-sectional view along the radial direction of the diffractive optical element. The diffractive optical element 26 has a grating structure in which a large number of ridge portions 27 are formed concentrically. Here, d is the width of the ridge, h is the height of the ridge, and Λ is the period of the ridge. With such a structure, the reflectance of radial polarization (TM polarization) is higher than that of azimuth polarization (TE polarization). At this time, the sectional structure of the diffraction grating is such that the width d of the ridge portion is sufficiently small with respect to the period Λ of the diffraction grating.
こうしたグレーティング構造をリアミラー２１に設けた場合、光共振器２０においてラジアル偏光のレーザ光が選択的に発振するようになり、その一部が出力ミラー２２を通過して、図１４（ｂ）に示すようなラジアル偏光を有するレーザ光ＬＢとして共振器外部に取り出される。 When such a grating structure is provided in the rear mirror 21, the radially polarized laser light selectively oscillates in the optical resonator 20, and a part thereof passes through the output mirror 22 and is shown in FIG. The laser beam LB having such radial polarization is extracted outside the resonator.
従来のラジアル偏光ビームを発生する発振器では、ラジアル偏光を発生するための回折光学素子は回折格子を同心円状の構造として、アジマス偏光と比べてラジアル偏光の反射率を高めることによりラジアル偏光ビームを発生させている。この場合、ラジアル偏光の反射率を高めるためには、回折格子のリッジ部の高さｈを高くし、回折格子の周期Λと比べてリッジ部の幅ｄを小さくする必要がある。 In a conventional oscillator that generates a radially polarized beam, the diffractive optical element for generating the radially polarized beam has a diffraction grating concentric structure and generates a radially polarized beam by increasing the reflectance of the radially polarized beam compared to the azimuth beam. I am letting. In this case, in order to increase the reflectance of the radially polarized light, it is necessary to increase the height h of the ridge portion of the diffraction grating and to reduce the width d of the ridge portion as compared with the period Λ of the diffraction grating.
しかしながら、従来の回折光学素子では、リッジ部の幅ｄがサブミクロン〜ミクロンオーダーであり、リッジ部の高さｈもミクロンオーダーとなっている。こうした回折格子を、例えば旋盤などで作成する場合、高度な精度が要求され、製作が困難であり、非常に高価なものとなる。さらに、リッジ部が壊れ易いことから、取り扱いに注意を要する。 However, in the conventional diffractive optical element, the width d of the ridge portion is on the order of submicron to micron, and the height h of the ridge portion is also on the order of microns. When such a diffraction grating is produced by, for example, a lathe, a high degree of accuracy is required, it is difficult to manufacture, and it becomes very expensive. Furthermore, since the ridge portion is fragile, handling is required.
本発明の目的は、優れた偏光消光比を持つラジアル偏光のレーザ光を低コストで発生できるレーザ発振器を提供することである。 An object of the present invention is to provide a laser oscillator capable of generating a radially polarized laser beam having an excellent polarization extinction ratio at a low cost.
また本発明の目的は、設計、製作、取り扱いが容易で、低コスト化が図られる反射型回折光学素子を提供することである。 It is another object of the present invention to provide a reflective diffractive optical element that is easy to design, manufacture, and handle and can be reduced in cost.
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、
光共振器内に設けられ、アジマス偏光の反射率がラジアル偏光の反射率を上回る反射型回折光学素子と、
光共振器の内部または外部に設けられ、光の偏光をラジアル偏光からアジマス偏光へまたはアジマス偏光からラジアル偏光へ変換するための軸対称偏光要素とを備え、
ラジアル偏光のレーザ光を発生することを特徴とする。
In order to achieve the above object, a laser oscillator according to the present invention comprises:
A reciprocating optical resonator having a rear mirror and an output mirror;
A laser medium provided in the optical resonator for amplifying the light;
A reflection type diffractive optical element provided in the optical resonator and having a reflectance of azimuth polarized light exceeding that of radial polarized light;
An axially symmetric polarizing element provided inside or outside the optical resonator for converting the polarization of light from radial polarization to azimuth polarization or from azimuth polarization to radial polarization;
Radially polarized laser light is generated.
また本発明は、アジマス偏光の反射率がラジアル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反射型回折光学素子であって、
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ｄとリッジ部の周期Λとの比ｄ／Λが、３５％〜９９％の範囲にあることを特徴とする。
Further, the present invention is a reflective diffractive optical element having a concentric grating structure in which the reflectance of azimuth polarized light exceeds the reflectance of radial polarized light,
The grating structure is a structure in which ridges having a predetermined width and a predetermined height are arranged concentrically with a predetermined period,
The ratio d / Λ between the width d of the ridge portion and the period Λ of the ridge portion is in the range of 35% to 99%.
本発明によれば、アジマス偏光の反射率がラジアル偏光の反射率を上回る反射型回折光学素子を光共振器内に配置し、光の偏光をラジアル偏光からアジマス偏光へまたはアジマス偏光からラジアル偏光へ変換するための軸対称偏光要素を光共振器の内部または外部に設けることによって、優れた偏光消光比を持つラジアル偏光のレーザ光を低コストで発生できる。 According to the present invention, a reflective diffractive optical element in which the reflectance of azimuth polarized light exceeds the reflectance of radial polarized light is disposed in the optical resonator, and the polarization of light is changed from radial polarization to azimuth polarization or from azimuth polarization to radial polarization. By providing an axially symmetric polarization element for conversion inside or outside the optical resonator, a radially polarized laser beam having an excellent polarization extinction ratio can be generated at low cost.
また、リッジ部の幅ｄとリッジ部の周期Λとの比ｄ／Λが比較的大きいグレーティング構造を採用することによって、反射型回折光学素子の設計、製作、取り扱いが容易になり、低コスト化が図られる。 In addition, the use of a grating structure having a relatively large ratio d / Λ between the width d of the ridge and the period Λ of the ridge makes it easy to design, manufacture and handle a reflective diffractive optical element, thereby reducing the cost. Is planned.
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正面図であり、図２は、その平面図である。レーザ発振器は、出力ミラー１と、折り返しミラー２，３と、２つの反射型λ／２板（２分の１波長板）８，９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。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a front view showing a laser oscillator according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a plan view thereof. The laser oscillator includes an output mirror 1, folding mirrors 2 and 3, two reflective λ / 2 plates (half-wave plates) 8 and 9, a rear mirror 4, a pair of discharge electrodes 5, and the like. A reciprocating optical resonator is formed between the output mirror 1 and the rear mirror 4. The optical resonator is classified into a parallel plane type, a concentric type, a confocal type, a semi-confocal type, and the like according to the respective radii of curvature of the output mirror 1 and the rear mirror 4. It can also be applied to a resonator.
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。 The output mirror 1 is composed of a partial reflection mirror, has a function of extracting a part of the laser light amplified inside the optical resonator, and generates the laser light LB outside the resonator. The rear mirror 4 is preferably composed of a complete reflecting mirror, and has a function of reflecting the laser light amplified inside the optical resonator in the coaxial direction.
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。 The folding mirrors 2 and 3 are generally constituted by plane mirrors and have a function of folding the optical axis of the optical resonator, thereby ensuring a large resonator length as well as miniaturization of the device. Here, a so-called Z-type resonator using two folding mirrors 2 and 3 will be described as an example. However, a V-type resonator or L-type resonator using one folding mirror, and three or more folding mirrors are used. The present invention is also applicable to the W-type resonator used.
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ＣＯ２、ＣＯ、エキシマなどが使用できる。 The discharge electrode 5 has a function of exciting the laser medium supplied into the optical resonator by discharge. Here, a laser medium flow direction 7 (perpendicular to the paper surface), a discharge direction of the discharge electrode 5, and a three-axis orthogonal laser oscillator in which the optical axes of the optical resonators are orthogonal to each other will be described as an example. The present invention is also applicable to a coaxial flow type laser oscillator and other laser oscillators. Generally, CO 2 , CO, excimer, etc. can be used as the laser medium.
反射型λ／２板８，９は、光共振器の内部に配置され、光の偏光をラジアル偏光からアジマス偏光へまたはアジマス偏光からラジアル偏光へ変換するための軸対称偏光要素として機能する。 The reflective λ / 2 plates 8 and 9 are disposed inside the optical resonator and function as an axially symmetric polarization element for converting the polarization of light from radial polarization to azimuth polarization or from azimuth polarization to radial polarization.
本実施形態において、リアミラー４として、アジマス偏光の反射率Ｒａがラジアル偏光の反射率Ｒｒを上回る反射型回折光学素子を使用している。 In the present embodiment, a reflective diffractive optical element in which the reflectance Ra of azimuth polarization exceeds the reflectance Rr of radial polarization is used as the rear mirror 4.
図３（ａ）は、反射型回折光学素子の一例を示す平面図であり、図３（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もしくはゲルマニウム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り、図３（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する。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。 FIG. 3A is a plan view showing an example of a reflective diffractive optical element, and FIG. 3B is a partial cross-sectional view along the radial direction. The reflective diffractive optical element is formed by laminating a copper substrate, a silicon substrate, or a germanium substrate with a lathe to form a ridge portion RG, and then laminating gold vapor deposition or a dielectric multilayer film, or a flat surface on a silicon substrate. A Ti layer having a surface and a Cu layer that forms the ridge portion RG are laminated, and as shown in FIG. 3A, it has a grating structure in which a large number of ridge portions RG are formed concentrically. . Here, d is the width of the ridge, h is the height of the ridge, and Λ is the period of the ridge.
図４は、図３（ａ）に示す反射型回折光学素子の表面における偏光方向を示す説明図である。回折光学素子の表面で反射する光は、ラジアル偏光（ＴＭ偏光）とアジマス偏光（ＴＥ偏光）を有し、ラジアル偏光はリッジ部ＲＧの長手方向に対して垂直であり、一方、アジマス偏光はリッジ部ＲＧの長手方向に対して平行である。 FIG. 4 is an explanatory diagram showing the polarization direction on the surface of the reflective diffractive optical element shown in FIG. The light reflected on the surface of the diffractive optical element has radial polarization (TM polarization) and azimuth polarization (TE polarization), and the radial polarization is perpendicular to the longitudinal direction of the ridge portion RG, while the azimuth polarization is ridge. It is parallel to the longitudinal direction of the portion RG.
図５は、λ／２板８，９の動作を示す説明図である。軸対称偏光要素は、光学軸が互いに４５°傾いた２つのλ／２板８，９を含む。なお、図５の矢印はレーザ光の偏光方向を示し、一点破線はλ／２板８，９の光学軸を示す。 FIG. 5 is an explanatory diagram showing the operation of the λ / 2 plates 8 and 9. The axially symmetric polarizing element includes two λ / 2 plates 8, 9 whose optical axes are inclined by 45 ° relative to each other. The arrows in FIG. 5 indicate the polarization direction of the laser light, and the dashed lines indicate the optical axes of the λ / 2 plates 8 and 9.
軸対称偏光要素に入射する光がアジマス偏光（図５（ａ））である場合、第１のλ／２板によってラジアル偏光とアジマス偏光の混合状態（図５（ｂ））に変換され、さらに第２のλ／２板によってラジアル偏光（図５（ｃ））に変換される。一方、軸対称偏光要素に入射する光がラジアル偏光（図５（ｃ））である場合、第１のλ／２板によってラジアル偏光とアジマス偏光の混合状態（図５（ｂ））に変換され、さらに第２のλ／２板によってアジマス偏光（図５（ａ））に変換される。こうして軸対称偏光要素は、光の偏光をラジアル偏光からアジマス偏光へまたはアジマス偏光からラジアル偏光へ変換することが可能である。 When the light incident on the axially symmetric polarizing element is azimuth polarized light (FIG. 5A), it is converted into a mixed state of radial polarized light and azimuth polarized light (FIG. 5B) by the first λ / 2 plate, and It is converted into radial polarized light (FIG. 5C) by the second λ / 2 plate. On the other hand, when the light incident on the axially symmetric polarizing element is radial polarized light (FIG. 5C), it is converted into a mixed state of radial polarized light and azimuth polarized light (FIG. 5B) by the first λ / 2 plate. Further, the light is converted into azimuth polarized light (FIG. 5A) by the second λ / 2 plate. Thus, the axially symmetric polarizing element is capable of converting the polarization of light from radial polarization to azimuth polarization or from azimuth polarization to radial polarization.
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、反射型λ／２板８，９、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。 Next, the operation will be described. The optical resonator is filled with a laser gas in which a laser medium and a buffer gas are mixed. The laser gas is excited by discharge while being continuously supplied to the space between the discharge electrodes 5 along the direction 7 using a blower (not shown). The light is amplified by the excited laser gas by reciprocating along the optical path of the optical resonator while being reflected by the output mirror 1, the folding mirrors 2 and 3, the reflection type λ / 2 plates 8 and 9, and the rear mirror 4. A part of the amplified laser beam is taken out through the output mirror 1 and generates a laser beam LB.
このときリアミラー４として、アジマス偏光の反射率Ｒａがラジアル偏光の反射率Ｒｒを上回る反射型回折光学素子を使用しているため、リアミラー４とλ／２板９の間では、アジマス偏光のレーザ光がラジアル偏光よりも優勢になる。一方、アジマス偏光のレーザ光がλ／２板８，９を経由すると、上述のようなアジマス偏光−ラジアル偏光の変換が行われるため、出力ミラー１とλ／２板８の間では、ラジアル偏光のレーザ光が優勢になる。従って、光共振器で増幅されるレーザ光は、ラジアル偏光の発振モードが選択されるようになり、出力ミラー１からは、優れた偏光消光比を持つラジアル偏光のレーザ光ＬＢが出力される。 At this time, since the reflection mirror diffractive optical element in which the reflectance Ra of the azimuth polarization exceeds the reflectance Rr of the radial polarization is used as the rear mirror 4, the azimuth polarization laser light is interposed between the rear mirror 4 and the λ / 2 plate 9. Becomes more dominant than radial polarization. On the other hand, when the azimuth-polarized laser light passes through the λ / 2 plates 8 and 9, the azimuth polarization-radial polarization conversion described above is performed, so that between the output mirror 1 and the λ / 2 plate 8, the radial polarization is performed. The laser beam becomes dominant. Therefore, the laser beam amplified by the optical resonator is selected in the radial polarization oscillation mode, and the output mirror 1 outputs the radially polarized laser beam LB having an excellent polarization extinction ratio.
図６は、反射型回折光学素子のグレーティングの反射率変化の一例を示すグラフである。縦軸は、ラジアル偏光（ＴＭ偏光）とアジマス偏光（ＴＥ偏光）の０次光反射率を示す。横軸は、グレーティングのデューティ比、即ち、リッジ部の幅ｄとリッジ部の周期Λとの比ｄ／Λを示す。ここで、リッジ部の高さｈ＝２μｍ、ミラー表面の材質として金コートを用い、周期ΛをパラメータにとってＲＣＷＡ(Rigorous Coupled Wave Analysis)法を用いて計算している。 FIG. 6 is a graph showing an example of a change in the reflectance of the grating of the reflective diffractive optical element. The vertical axis indicates the zero-order light reflectance of radial polarization (TM polarization) and azimuth polarization (TE polarization). The horizontal axis indicates the duty ratio of the grating, that is, the ratio d / Λ of the ridge width d and the ridge period Λ. Here, the height of the ridge portion is h = 2 μm, a gold coat is used as the material of the mirror surface, and the period Λ is used as a parameter, and calculation is performed using the RCWA (Rigorous Coupled Wave Analysis) method.
図７は、反射型回折光学素子のグレーティングの反射率変化の一例を示すグラフである。縦軸は、ラジアル偏光（ＴＭ偏光）とアジマス偏光（ＴＥ偏光）の０次光反射率を示す。横軸は、リッジ部の高さｈを示す。ここで、リッジ部の周期Λ＝２０μｍ、デューティ比ｄ／Λ＝８５％であり、ＲＣＷＡ法を用いて計算している。 FIG. 7 is a graph showing an example of a change in reflectance of the grating of the reflective diffractive optical element. The vertical axis indicates the zero-order light reflectance of radial polarization (TM polarization) and azimuth polarization (TE polarization). The horizontal axis indicates the height h of the ridge portion. Here, the period of the ridge portion Λ = 20 μm and the duty ratio d / Λ = 85%, which are calculated using the RCWA method.
図６のグラフを参照して、リッジ部の高さｈ＝２μｍの場合、デューティ比ｄ／Λ＝３５％〜９９％の範囲に設定すると、アジマス偏光の０次光反射率は、ラジアル偏光のものより高くなる。その結果、反射型回折光学素子は、アジマス偏光を選択することが可能になる。 Referring to the graph of FIG. 6, when the height of the ridge portion is h = 2 μm and the duty ratio d / Λ is set in the range of 35% to 99%, the zero-order light reflectance of the azimuth polarization is that of the radial polarization. Be higher than stuff. As a result, the reflective diffractive optical element can select azimuth polarized light.
特に図６に示すように、デューティ比ｄ／Λは８５％〜９９％の範囲がより好ましく、この範囲では、アジマス偏光の反射率が高くなり、光学損失が小さくなり、一方、ラジアル偏光の反射率は十分小さくなる。 In particular, as shown in FIG. 6, the duty ratio d / Λ is more preferably in the range of 85% to 99%. In this range, the reflectance of azimuth polarized light is high and the optical loss is small, while the reflection of radial polarized light is reduced. The rate is small enough.
さらに図７に示すように、リッジ部の高さｈが０．５〜３μｍ以上の範囲では、アジマス偏光の０次光反射率がラジアル偏光のものより上回っている。従って、リッジ部の各寸法を上述の範囲内で設計することにより、光学損失が小さく、偏光選択性の良い反射型回折光学素子が得られることが判る。 Further, as shown in FIG. 7, in the range where the height h of the ridge portion is 0.5 to 3 μm or more, the 0th-order light reflectance of azimuth polarized light is higher than that of radial polarized light. Therefore, it can be seen that a reflective diffractive optical element with small optical loss and good polarization selectivity can be obtained by designing each dimension of the ridge portion within the above-mentioned range.
従来のレーザ発振器では、図１５に示したように、デューティ比ｄ／Λが約１％〜２０％の範囲である回折光学素子を使用し、回折光学素子上で直接ラジアル偏光が選択されるように設計されている。このことは、図６に示した計算結果からも説明できる。 In the conventional laser oscillator, as shown in FIG. 15, a diffractive optical element whose duty ratio d / Λ is in the range of about 1% to 20% is used, and the radial polarization is directly selected on the diffractive optical element. Designed to. This can also be explained from the calculation result shown in FIG.
しかしながら、従来の回折光学素子は、凹面の反射面上にサブミクロン〜ミクロンオーダーの幅のリッジ部（突起物）がある形状となっている。このような幅がサブミクロン〜ミクロンオーダーのリッジ部を作ることは、高精度の加工技術が要求され、製作費用も高額になる。また、リッジ部の高さがリッジ部の幅より大きくなると、加工が困難になるとともに、リッジ部が壊れやすい構造になるため、取り扱いが容易ではない。 However, the conventional diffractive optical element has a shape in which a ridge portion (projection) having a width on the order of submicron to micron is formed on the concave reflecting surface. Producing a ridge having a width of sub-micron to micron order requires high-precision processing technology and increases the manufacturing cost. Further, when the height of the ridge portion is larger than the width of the ridge portion, the processing becomes difficult and the ridge portion becomes fragile, so that handling is not easy.
一方、本実施形態では、平面の反射面の一部に細い溝を彫ることにより、リッジ部を形成することが可能である。リッジ部の幅は、溝に対して十分に大きいため、リッジ部分が破損しにくくなる。さらに、図６に示すように、アジマス偏光の反射率が十分高い領域として、デューティ比ｄ／Λ＝８５％〜９９％の範囲が確保されており、また図７に示すように、リッジ部の高さｈ＝０．５〜３μｍ以上の範囲に渡って、アジマス偏光の反射率がラジアル偏光の反射率を上回っている。従って、回折光学素子のグレーティング構造を製作する際、それほど高い精度が要求されず、十分な偏光選択性を付与できる。その結果、回折光学素子の低コスト化が図られる。 On the other hand, in this embodiment, it is possible to form the ridge portion by carving a thin groove in a part of the flat reflecting surface. Since the width of the ridge portion is sufficiently large with respect to the groove, the ridge portion is not easily damaged. Furthermore, as shown in FIG. 6, a range of duty ratio d / Λ = 85% to 99% is secured as a region where the reflectance of azimuth polarization is sufficiently high. Further, as shown in FIG. Over a range of height h = 0.5 to 3 μm or more, the reflectance of azimuth polarized light exceeds the reflectance of radial polarized light. Therefore, when manufacturing a grating structure of a diffractive optical element, not so high accuracy is required, and sufficient polarization selectivity can be imparted. As a result, the cost of the diffractive optical element can be reduced.
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。 Such a laser oscillator that generates a radially polarized laser beam can be used in a laser processing apparatus. When the laser beam is condensed, all the polarized light of the condensed beam becomes a p component, and efficient cutting and welding can be realized. Radially polarized laser light can also be applied to high-resolution microscopes and optical tweezers.
実施の形態２．
図８は、本発明の実施の形態２によるレーザ発振器を示す正面図であり、図９は、その平面図である。レーザ発振器は、出力ミラー１と、２つの反射型λ／２板（２分の１波長板）８，９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。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 8 is a front view showing a laser oscillator according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a plan view thereof. The laser oscillator includes an output mirror 1, two reflective λ / 2 plates (half-wave plates) 8 and 9, folding mirrors 2 and 3, a rear mirror 4, a pair of discharge electrodes 5, and the like. A reciprocating optical resonator is formed between the output mirror 1 and the rear mirror 4.
本実施形態は、実施の形態１と同様な構成を有するが、光共振器の内部で出力ミラー１の直前にλ／２板８，９を配置するとともに、図３に示した反射型回折光学素子をリアミラー４の代わりに折り返しミラー３として使用している。 This embodiment has the same configuration as that of the first embodiment, except that the λ / 2 plates 8 and 9 are arranged immediately before the output mirror 1 inside the optical resonator, and the reflection type diffractive optics shown in FIG. The element is used as the folding mirror 3 instead of the rear mirror 4.
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、反射型λ／２板８，９、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。 Next, the operation will be described. The optical resonator is filled with a laser gas in which a laser medium and a buffer gas are mixed. The laser gas is excited by discharge while being continuously supplied to the space between the discharge electrodes 5 along the direction 7 using a blower (not shown). The light is amplified by the excited laser gas by reciprocating along the optical path of the optical resonator while being reflected by the output mirror 1, the reflection type λ / 2 plates 8 and 9, the folding mirrors 2 and 3, and the rear mirror 4. A part of the amplified laser beam is taken out through the output mirror 1 and generates a laser beam LB.
このとき折り返しミラー３として、アジマス偏光の反射率Ｒａがラジアル偏光の反射率Ｒｒを上回る反射型回折光学素子を使用しているため、リアミラー４とλ／２板８の間では、アジマス偏光のレーザ光がラジアル偏光よりも優勢になる。一方、アジマス偏光のレーザ光がλ／２板８，９を経由すると、上述のようなアジマス偏光−ラジアル偏光の変換が行われるため、出力ミラー１とλ／２板９の間では、ラジアル偏光のレーザ光が優勢になる。従って、光共振器で増幅されるレーザ光は、アジマス偏光の発振モードが選択されるようになり、出力ミラー１からは、優れた偏光消光比を持つラジアル偏光のレーザ光ＬＢが出力される。 At this time, since a reflection type diffractive optical element in which the reflectance Ra of the azimuth polarization exceeds the reflectance Rr of the radial polarization is used as the folding mirror 3, an azimuth polarization laser is interposed between the rear mirror 4 and the λ / 2 plate 8. The light becomes dominant over radial polarization. On the other hand, when the azimuth-polarized laser beam passes through the λ / 2 plates 8 and 9, the above-described conversion between azimuth polarization and radial polarization is performed. Therefore, between the output mirror 1 and the λ / 2 plate 9, radial polarization is performed. The laser beam becomes dominant. Accordingly, the laser beam amplified by the optical resonator is selected in the azimuth polarization oscillation mode, and the output mirror 1 outputs the radially polarized laser beam LB having an excellent polarization extinction ratio.
折り返しミラー３として使用する反射型回折光学素子は、実施の形態１と同様に、リッジ部のデューティ比ｄ／Λ＝３５％〜９９％の範囲に設定することが好ましい。これによりアジマス偏光の０次光反射率は、ラジアル偏光のものより高くなり、その結果、反射型回折光学素子は、アジマス偏光を選択することが可能になる。特にデューティ比ｄ／Λは８５％〜９９％の範囲がより好ましく、この範囲では、アジマス偏光の反射率が高くなり、光学損失が小さくなり、一方、ラジアル偏光の反射率は十分小さくなる。 As in the first embodiment, the reflective diffractive optical element used as the folding mirror 3 is preferably set in the range of the ridge portion duty ratio d / Λ = 35% to 99%. As a result, the zero-order light reflectance of azimuth polarized light is higher than that of radial polarized light, and as a result, the reflective diffractive optical element can select azimuth polarized light. In particular, the duty ratio d / Λ is more preferably in the range of 85% to 99%. In this range, the reflectance of azimuth polarized light becomes high and the optical loss becomes small, while the reflectance of radial polarized light becomes sufficiently small.
また、リッジ部の高さｈは、実施の形態１と同様に、０．５〜３μｍの範囲に設定することが好ましい。これにより光学損失が小さく、偏光選択性の良い反射型回折光学素子が得られる。 Further, the height h of the ridge portion is preferably set in the range of 0.5 to 3 μm, as in the first embodiment. Thereby, a reflection type diffractive optical element with small optical loss and good polarization selectivity can be obtained.
なお、Ｒａ＞Ｒｒを満たす反射型回折光学素子は、折り返しミラー３の代わりに折り返しミラー２として使用してもよく、さらに３つ以上の折り返しミラーを用いた場合でも少なくとも１つ折り返しミラーとして使用すれば、本実施形態と同様な効果が得られる。 A reflective diffractive optical element satisfying Ra> Rr may be used as the folding mirror 2 instead of the folding mirror 3, and even when three or more folding mirrors are used, it is used as at least one folding mirror. In this case, the same effect as in the present embodiment can be obtained.
実施の形態３．
図１０は、本発明の実施の形態３によるレーザ発振器を示す正面図であり、図１１は、その平面図である。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。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 10 is a front view showing a laser oscillator according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 11 is a plan view thereof. The laser oscillator includes an output mirror 1, folding mirrors 2 and 3, a rear mirror 4, a pair of discharge electrodes 5, and the like, and a reciprocating optical resonator is configured between the output mirror 1 and the rear mirror 4.
本実施形態は、実施の形態１と同様な構成を有するが、光共振器の外部で出力ミラー１の直後に２つの反射型λ／２板（２分の１波長板）８，９を配置するとともに、図３に示した反射型回折光学素子を折り返しミラー３として使用している。 This embodiment has the same configuration as that of the first embodiment, but two reflection type λ / 2 plates (half-wave plates) 8 and 9 are arranged immediately after the output mirror 1 outside the optical resonator. In addition, the reflection type diffractive optical element shown in FIG.
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。 Next, the operation will be described. The optical resonator is filled with a laser gas in which a laser medium and a buffer gas are mixed. The laser gas is excited by discharge while being continuously supplied to the space between the discharge electrodes 5 along the direction 7 using a blower (not shown). The light is amplified by the excited laser gas by reciprocating the optical path of the optical resonator while being reflected by the output mirror 1, the folding mirrors 2 and 3, and the rear mirror 4. A part of the amplified laser beam is taken out through the output mirror 1 and generates a laser beam LB.
このとき折り返しミラー３として、アジマス偏光の反射率Ｒａがラジアル偏光の反射率Ｒｒを上回る反射型回折光学素子を使用しているため、リアミラー４と出力ミラー１の間では、アジマス偏光のレーザ光がラジアル偏光よりも優勢に発振する。アジマス偏光のレーザ光の一部は、出力ミラー１を通過して、λ／２板８，９を経由すると、上述のようなアジマス偏光−ラジアル偏光の変換が行われるため、優れた偏光消光比を持つラジアル偏光のレーザ光ＬＢが出力される。 At this time, since the reflection type diffractive optical element in which the reflectance Ra of the azimuth polarization exceeds the reflectance Rr of the radial polarization is used as the folding mirror 3, the azimuth polarization laser light is transmitted between the rear mirror 4 and the output mirror 1. Oscillates more preferentially than radial polarized light. Since part of the azimuth-polarized laser light passes through the output mirror 1 and passes through the λ / 2 plates 8 and 9, the above-described conversion of azimuth-polarized light to radial polarized light is performed. A radially polarized laser beam LB is output.
折り返しミラー３として使用する反射型回折光学素子は、実施の形態１と同様に、リッジ部のデューティ比ｄ／Λ＝３５％〜９９％の範囲に設定することが好ましい。これによりアジマス偏光の０次光反射率は、ラジアル偏光のものより高くなり、その結果、反射型回折光学素子は、アジマス偏光を選択することが可能になる。特にデューティ比ｄ／Λは８５％〜９９％の範囲がより好ましく、この範囲では、アジマス偏光の反射率が高くなり、光学損失が小さくなり、一方、ラジアル偏光の反射率は十分小さくなる。 As in the first embodiment, the reflective diffractive optical element used as the folding mirror 3 is preferably set in the range of the ridge portion duty ratio d / Λ = 35% to 99%. As a result, the zero-order light reflectance of azimuth polarized light is higher than that of radial polarized light, and as a result, the reflective diffractive optical element can select azimuth polarized light. In particular, the duty ratio d / Λ is more preferably in the range of 85% to 99%. In this range, the reflectance of azimuth polarized light becomes high and the optical loss becomes small, while the reflectance of radial polarized light becomes sufficiently small.
また、リッジ部の高さｈは、実施の形態１と同様に、０．５〜３μｍの範囲に設定することが好ましい。これにより光学損失が小さく、偏光選択性の良い反射型回折光学素子が得られる。 Further, the height h of the ridge portion is preferably set in the range of 0.5 to 3 μm, as in the first embodiment. Thereby, a reflection type diffractive optical element with small optical loss and good polarization selectivity can be obtained.
なお、Ｒａ＞Ｒｒを満たす反射型回折光学素子は、折り返しミラー３の代わりに折り返しミラー２として使用してもよく、さらに３つ以上の折り返しミラーを用いた場合でも少なくとも１つ折り返しミラーとして使用すれば、本実施形態と同様な効果が得られる。 A reflective diffractive optical element satisfying Ra> Rr may be used as the folding mirror 2 instead of the folding mirror 3, and even when three or more folding mirrors are used, it is used as at least one folding mirror. In this case, the same effect as in the present embodiment can be obtained.
実施の形態４．
図１２は、反射型回折光学素子の他の例を示す断面図である。図３に示した反射型回折光学素子では、リッジ部ＲＧの両側に形成された溝の断面は矩形状であるが、本実施形態では、リッジ部ＲＧの両側に、三角形状の断面を有する溝、いわゆるＶ字溝を形成している。なお、図３と同様に、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。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing another example of the reflective diffractive optical element. In the reflection type diffractive optical element shown in FIG. 3, the cross section of the groove formed on both sides of the ridge portion RG is rectangular, but in this embodiment, the groove having a triangular cross section on both sides of the ridge portion RG. A so-called V-shaped groove is formed. As in FIG. 3, d is the width of the ridge portion, h is the height of the ridge portion, and Λ is the period of the ridge portion.
図１３は、図１２に示す反射型回折光学素子のグレーティングの反射率変化の一例を示すグラフである。縦軸は、ラジアル偏光（ＴＭ偏光）とアジマス偏光（ＴＥ偏光）の０次光反射率を示す。横軸は、リッジ部の高さｈを示す。ここで、リッジ部の周期Λ＝２０μｍ、デューティ比ｄ／Λ＝８５％であり、ＲＣＷＡ法を用いて計算している。 FIG. 13 is a graph showing an example of a change in reflectance of the grating of the reflective diffractive optical element shown in FIG. The vertical axis indicates the zero-order light reflectance of radial polarization (TM polarization) and azimuth polarization (TE polarization). The horizontal axis indicates the height h of the ridge portion. Here, the period of the ridge portion Λ = 20 μm and the duty ratio d / Λ = 85%, which are calculated using the RCWA method.
図１３を参照すると、図７のグラフと比べて極小値と極大値の差が小さくなり、リッジ部の高さｈに対する０次光反射率の変化が緩和されていることが判る。 Referring to FIG. 13, it can be seen that the difference between the minimum value and the maximum value is smaller than that in the graph of FIG. 7, and the change in the 0th-order light reflectance with respect to the height h of the ridge portion is alleviated.
また、リッジ部の高さｈが０．５〜３μｍ以上の範囲では、アジマス偏光の０次光反射率がラジアル偏光のものより上回っており、リッジ部の高さｈの加工精度が多少低下しても十分な偏光選択性を示すことが判る。 In addition, when the height h of the ridge portion is 0.5 to 3 μm or more, the 0th-order light reflectance of the azimuth polarization is higher than that of the radial polarization, and the processing accuracy of the height h of the ridge portion is somewhat lowered. However, it can be seen that sufficient polarization selectivity is exhibited.
また、三角形状の断面を有する溝を形成する場合、三角形状の刃先を有するバイト、例えば、ねじ切りバイトなどを用いた旋盤加工により、材料表面を同心円状に切削するだけで、図１２に示す反射型回折光学素子を簡単に製作できる。 Further, when forming a groove having a triangular cross section, the reflection shown in FIG. 12 can be achieved by simply cutting the material surface concentrically by a lathe using a cutting tool having a triangular cutting edge, such as a thread cutting tool. Type diffractive optical element can be easily manufactured.
こうした三角断面の溝を有する反射型回折光学素子は、実施の形態１〜３に係るレーザ発振器において、矩形断面の溝を有する反射型回折光学素子の代替として使用できる。 Such a reflective diffractive optical element having a triangular cross-section groove can be used as an alternative to the reflective diffractive optical element having a rectangular cross-section groove in the laser oscillators according to the first to third embodiments.
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、 ８，９ 反射型λ／２板、
ＬＢ レーザ光、 ＲＧ リッジ部。
1 Output mirror, 2, 3 Folding mirror, 4 Rear mirror, 5 Discharge electrode,
7 Flow direction of laser medium, 8,9 Reflective type λ / 2 plate,
LB laser light, RG ridge part.
Claims (11)
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、
光共振器内に設けられ、アジマス偏光の反射率がラジアル偏光の反射率を上回る反射型回折光学素子と、
光共振器の内部または外部に設けられ、光の偏光をラジアル偏光からアジマス偏光へまたはアジマス偏光からラジアル偏光へ変換するための軸対称偏光要素とを備え、
ラジアル偏光のレーザ光を発生することを特徴とするレーザ発振器。 A reciprocating optical resonator having a rear mirror and an output mirror;
A laser medium provided in the optical resonator for amplifying the light;
A reflection type diffractive optical element provided in the optical resonator and having a reflectance of azimuth polarized light exceeding that of radial polarized light;
An axially symmetric polarizing element provided inside or outside the optical resonator for converting the polarization of light from radial polarization to azimuth polarization or from azimuth polarization to radial polarization;
A laser oscillator that generates a radially polarized laser beam.
反射型回折光学素子は、折り返しミラーとして配置されることを特徴とする請求項１記載のレーザ発振器。 One or more folding mirrors for folding the optical axis of the optical resonator,
2. The laser oscillator according to claim 1, wherein the reflective diffractive optical element is arranged as a folding mirror.
リッジ部の幅ｄとリッジ部の周期Λとの比ｄ／Λが、３５％〜９９％の範囲にあることを特徴とする請求項５記載のレーザ発振器。 The grating structure is a structure in which ridges having a predetermined width and a predetermined height are arranged concentrically with a predetermined period,
6. The laser oscillator according to claim 5, wherein a ratio d / Λ between the width d of the ridge portion and the period Λ of the ridge portion is in the range of 35% to 99%.
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ｄとリッジ部の周期Λとの比ｄ／Λが、３５％〜９９％の範囲にあることを特徴とする反射型回折光学素子。 A reflective diffractive optical element having a concentric grating structure in which the reflectance of azimuth polarized light exceeds the reflectance of radial polarized light,
The grating structure is a structure in which ridges having a predetermined width and a predetermined height are arranged concentrically with a predetermined period,
A reflection type diffractive optical element, wherein a ratio d / Λ between a width d of the ridge portion and a period Λ of the ridge portion is in a range of 35% to 99%.
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