JP2011222944A - レーザ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】レーザ装置は、(1)レーザ媒質をレーザゲイン空間において励起する励起源と、(2)レーザゲイン空間を通る光路の一方の側に配置されたアウトプットカプラと、レーザゲイン空間を通る光路の他方の側に配置された波長分散素子と、を含む光共振器と、(3)レーザゲイン空間と波長分散素子との間の光路にビーム幅を拡大又は縮小する少なくとも1つのビーム幅変更素子を出し入れし、又は、上記光路において少なくとも1つのビーム幅変更素子の向きを反転させることにより、ビーム幅の拡大率又は縮小率を切り換える切換機構と、を含んでもよい。
【選択図】図1
Description
図1は、第1実施形態に係るレーザ装置の構成例を示す模式図である。このレーザ装置1は、出力側から順に、波面調節器2と、レーザチャンバ3と、第1のビーム幅変更素子を光路に出し入れする切換機構4と、第2のビーム幅変更素子50と、グレーティング59とを配置した構成を有し得る。
波面調節器2は、シリンドリカル凹レンズ21とシリンドリカル凸レンズ22とを備え得る。シリンドリカル凹レンズ21は、一方の面がフラット面で他方の面が凹面状の円筒面(cylindrical surface)であり得る。シリンドリカル凹レンズ21のフラット面21aには部分反射膜がコーティングされ得る。従って、シリンドリカル凹レンズ21は、レーザチャンバ3から出力される光のうちの一部を透過させて出力し、他の一部を反射させてレーザチャンバ3内に戻すためのアウトプットカプラを構成し得る。そして、このシリンドリカル凹レンズ21は、グレーティング59とともに、光共振器を構成し得る。フラット面21aとグレーティング59との間の距離は、レーザチャンバ3から出力される所定波長の光が定常波を形成する距離に設定され得る。シリンドリカル凸レンズ22は、一方の面がフラット面で他方の面が凸面状の円筒面であり得る。
レーザチャンバ3は、希ガス(ヘリウム又はアルゴン等)及びハロゲンガス(フッ素等)等のレーザ媒質が封入されるチャンバであり得る。レーザチャンバ3内には、レーザ媒質を励起するための励起源として、例えば一対の放電電極31及び32が配置され得る。放電電極31及び32は、電源装置に接続され得る。放電電極31及び32に電源装置から高電圧が印加されると、放電電極31及び32間に放電が起こり得る。この放電のエネルギーにより、レーザチャンバ3内のレーザ媒質が励起されて高エネルギー準位に移行し得る。励起されたレーザ媒質が、その後低エネルギー準位に移行するとき、そのエネルギー準位差に応じた光を放出し得る。
第2のビーム幅変更素子50は、レーザゲイン空間を通る光路の他方の側に配置されたプリズムであり得る。第2のビーム幅変更素子50は、レーザチャンバ3から出射された光が入射する第1の面501と、第1の面に入射した光をグレーティング59に出射させる第2の面502とを有し得る。レーザチャンバ3から出射された光の光軸に対して第1の面501が傾斜するように第2のビーム幅変更素子50を配置することにより、第1の面501に入射した光が、YZ平面内の第1の方向に屈折し得る。これにより、ビーム幅はYZ平面内において第1の方向と直交する第2の方向に拡大するが、YZ平面に垂直な第3の方向(X軸方向)には拡大しないようにすることができる。第2のビーム幅変更素子50に入射した光は、第2の面502にほぼ垂直な方向に進み、第2の面502において、ほぼ屈折することなく出射し得る。
グレーティング59は、高反射率の材料で多数の溝を形成した波長分散素子であり得る。図1に示すように、グレーティング59の各溝の方向(X軸方向)は、シリンドリカル凹レンズ21又はシリンドリカル凸レンズ22によるビーム幅の拡大又は縮小方向(Y軸方向)に対して略垂直な方向であり得る。第2のビーム幅変更素子50からグレーティング59に入射した光は、各溝の斜面において、各溝の方向に対して垂直な多方向に反射し得る。1つの溝において反射した反射光と、他の1つの溝において反射した反射光とが合波するとき、それらの反射光の間の光路長の差は、それらの反射光の反射角度に依存し得る。そして、当該光路長の差に対応する波長の光は、それらの反射光どうしで位相が一致して強め合うことができ、当該光路長の差に対応しない波長の光は、それらの反射光どうしで位相が一致せずに弱め合うことができる。この干渉作用の結果、反射角度に応じて特定の波長の光が強められ、当該特定の波長の光が第2のビーム幅変更素子50を介してレーザチャンバ3に戻され得る。
また、以上においては、狭帯域化モジュールとして第2のビーム幅変更素子50とグレーティング59とを用いることとし、グレーティング59がさらに光共振器の一方の反射面を構成する例について説明したが、本開示はこれに限定されない。つまり、狭帯域化モジュールは、出射光の角度が波長に依存する波長分散素子を用いて構成すれば良い。例えば、狭帯域化モジュールを複数のプリズムによって構成し、別途、高反射ミラーによって光共振器の一方の反射面を構成することとしても良い。
切換機構4は、レーザチャンバ3と第2のビーム幅変更素子50との間の光路に第1のビーム幅変更素子を出し入れする機構であり得る。本実施形態において、第1のビーム幅変更素子40aは、シリンドリカル凸レンズ42aとシリンドリカル凹レンズ41aとの組み合わせによって構成され得る。第1のビーム幅変更素子40aは、レーザチャンバ3から出力された光のビーム幅を縮小させて、その光を第2のビーム幅変更素子50に入射させ得る。シリンドリカル凸レンズ42a及びシリンドリカル凹レンズ41aによるビーム幅の縮小方向(Y軸方向)は、波面調節器2のシリンドリカル凹レンズ21又はシリンドリカル凸レンズ22によるビーム幅の拡大又は縮小方向(Y軸方向)と、略同一の方向(グレーティング59の各溝の方向(X軸方向)に略垂直な方向)であり得る。
逆に、目標スペクトル幅が小さい場合には、第1のビーム幅変更素子40aを光路から退避させて図1に示す破線の位置まで移動させ得る。これにより、ビーム幅を縮小させずに第2のビーム幅変更素子50に入射させ、出力レーザ光のスペクトル幅を小さくすることができる。この状態においても、さらに、波面調節器2によるスペクトル幅の微調整が可能である。
図2は、第1実施形態におけるスペクトル幅の調整可能範囲を示すグラフである。曲線Aは、図1に示す第1のビーム幅変更素子40aを光路から退避させた状態(第1の状態)における、波面調節器2のレンズ間距離に応じた出力レーザ光のスペクトル幅を示している。曲線Bは、図1に示す第1のビーム幅変更素子40aを光路に配置した状態(第2の状態)における、波面調節器2のレンズ間距離に応じた出力レーザ光のスペクトル幅を示している。
図3は、第1実施形態の第1の変形例を示す模式図である。第1の変形例は、第1のビーム幅変更素子40bが、シリンドリカル凹レンズ41bとシリンドリカル凸レンズ42bとを含み、図1に示した第1実施形態における第1のビーム幅変更素子40aと逆向きになっている点で、図1に示した第1実施形態と異なる。
その他の点については図1に示した第1実施形態と同様である。
図4は、第1実施形態の第2の変形例を示す模式図である。第2の変形例は、切換機構4が、複数の第1のビーム幅変更素子40c及び40dの内から、1つの第1のビーム幅変更素子を選択して光路に配置できる点で、図1に示した第1実施形態と異なる。
その他の点については図1に示した第1実施形態と同様である。
従って、図4に示す第2の変形例によれば、スペクトル幅調整の可能な範囲を一層向上することができる。
図5は、第1実施形態の第3の変形例における第1のビーム幅変更素子を示す模式図である。波面調節器2、レーザチャンバ3、第2のビーム幅変更素子50、グレーティング59等については、図1に示した第1実施形態と同様である。
また、第3の変形例においては、第1のビーム幅変更素子40e又は40fを光路に出し入れする場合について説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、切換機構4が第1のビーム幅変更素子40eを光路において反転させることによって、第1のビーム幅変更素子40fと同様の作用を生じさせても良い。
図6は、第1実施形態の第4の変形例を示す模式図である。第4の変形例においては、レーザチャンバ3を通る光の光軸と、第2のビーム幅変更素子50に入射する光の光軸とが略平行であり、これらの光軸の間に、オフセット量Xが与えられ得る。また、第1のビーム幅変更素子40g(拡大率M1)は、入出力の光軸間にオフセット量Xを有することができ、第1のビーム幅変更素子40h(拡大率M2)も、入出力の光軸間に、同一のオフセット量Xを有することができる。切換機構4は、第1のビーム幅変更素子40gと第1のビーム幅変更素子40hとを差し換えることによって、ビーム幅の拡大率を切り換えることができる。
その他の点については図5に示した第3の変形例と同様である。
図7は、第1実施形態の第5の変形例における第1のビーム幅変更素子を示す模式図である。波面調節器2、レーザチャンバ3、第2のビーム幅変更素子50、グレーティング59等については、図6に示した第4の変形例と同様である。
その他の点については図6に示した第4の変形例と同様である。
図8は、第1実施形態の第6の変形例における第1のビーム幅変更素子を示す模式図である。波面調節器2、レーザチャンバ3、第2のビーム幅変更素子50、グレーティング59等については、図6に示した第4の変形例と同様である。
その他の点については図6に示した第4の変形例と同様である。
図9は、第2実施形態に係るレーザ装置の構成例を示す模式図である。第2実施形態に係るレーザ装置は、第2のビーム幅変更素子50aを光路に出し入れする第2の切換機構5を含んでいる点で、図1に示した第1実施形態と異なる。その他の点については、第1実施形態と同様である。第2の切換機構5は、第2のビーム幅変更素子50a及び光路維持プリズム50bの内の1つを選択して光路に配置できるようになっている。
図10は、第2実施形態の第1の変形例における狭帯域化モジュールを示す模式図である。第1の変形例においては、ビーム幅拡大プリズム51aと、第2の切換機構5と、ビーム幅拡大プリズム53aと、ビーム幅拡大プリズム54aと、グレーティング59とによって、狭帯域化モジュールが構成され得る。
その他の点については図9に示した第2実施形態と同様である。
図11は、第2実施形態の第2の変形例における狭帯域化モジュールを示す模式図である。第2の変形例においては、ビーム幅拡大プリズム51cと、第2の切換機構5と、ビーム幅拡大プリズム54cと、グレーティング59とによって、狭帯域化モジュールが構成され得る。
その他の点については図10に示した第1の変形例と同様である。
また、n個の光学素子を他のm個の光学素子と差し換える(ここで、nとmは異なる自然数とする)ようにしても良い。
図12は、第2実施形態の第3の変形例における狭帯域化モジュールを示す模式図である。第3の変形例においては、第2の切換機構5と、ビーム幅拡大プリズム53eと、ビーム幅拡大プリズム54eと、グレーティング59とによって、狭帯域化モジュールが構成され得る。
その他の点については図11に示した第2の変形例と同様である。
図13は、第3実施形態に係るレーザ装置の構成例を示す模式図である。第3実施形態に係るレーザ装置は、第2のビーム幅変更素子50aを光路に出し入れする第2の切換機構5を含んでいるが、切換機構4(図9参照)を含んでいない点で、第2実施形態と異なる。その他の点は、第2実施形態と同様である。
第3実施形態においても、第2実施形態と同様に、図10〜図12を参照しながら説明した変形例を適用することが可能である。
図14は、第4実施形態に係るレーザ装置の構成例を示す模式図であり、図14(A)は側面図、図14(B)は平面図である。このレーザ装置101は、種光を発生させるためのマスターオシレータとして機能するレーザ装置1と、レーザ装置1から出力された種光をさらに増幅するパワーオシレータ100とを含んだMOPO(master oscillator power oscillator)システムとして構成され得る。
レーザ装置1から出力されたレーザ光は、高反射ミラー61、62、63を介して、パワーオシレータ100の部分反射ミラー(アウトプットカプラ)67に導入され得る。
本実施形態においては、レーザ装置1におけるスペクトル幅の制御によって種光のエネルギーが多少変化したとしても、パワーオシレータ100が種光を増幅するので、パワーオシレータ100が出力レーザ光を安定的に出力することができる。
図15は、第5実施形態に係るレーザ装置の構成例を示す模式図である。このレーザ装置201は、種光を発生させるためのマスターオシレータとして機能するレーザ装置1と、レーザ装置1から出力された種光をさらに増幅するパワーオシレータ200とを含んだMOPOシステムとして構成され得る。
レーザ装置1から出力されたレーザ光は、高反射ミラー71、72を介して、パワーオシレータ200の部分反射ミラー(リアミラー)73に導入され得る。
本実施形態においても、レーザ装置1におけるスペクトル幅の制御によって種光のエネルギーが多少変化したとしても、パワーオシレータ200が種光を増幅するので、パワーオシレータ200が出力レーザ光を安定的に出力することができる。
Claims (9)
- レーザ媒質をレーザゲイン空間において励起する励起源と、
前記レーザゲイン空間を通る光路の一方の側に配置されたアウトプットカプラと、前記レーザゲイン空間を通る光路の他方の側に配置された波長分散素子と、を含む光共振器と、
前記レーザゲイン空間と前記波長分散素子との間の光路にビーム幅を拡大又は縮小する少なくとも1つのビーム幅変更素子を出し入れし、又は、前記光路において前記少なくとも1つのビーム幅変更素子の向きを反転させることにより、ビーム幅の拡大率又は縮小率を切り換える切換機構と、
を含むレーザ装置。 - 前記光共振器内において往復する光の波面を変化させる波面調節器をさらに含む、請求項1記載のレーザ装置。
- 前記切換機構は、ビーム幅の拡大率又は縮小率を第1の状態と第2の状態とに切り換える機構であり、
前記波面調節器は、ビーム幅の拡大率又は縮小率が第1の状態である場合において、前記波面を変化させることにより、前記光共振器から出力されるレーザ光のスペクトル幅を、第1の所定範囲において変更可能であるとともに、ビーム幅の拡大率又は縮小率が第2の状態である場合において、前記波面を変化させることにより、前記光共振器から出力されるレーザ光のスペクトル幅を、第1の所定範囲と一部重複する第2の所定範囲において変更可能である、請求項2記載のレーザ装置。 - 前記少なくとも1つのビーム幅変更素子がアフォーカル光学系である、請求項1乃至3の何れか一項記載のレーザ装置。
- 前記少なくとも1つのビーム幅変更素子は、前記レーザゲイン空間からの入射光のビーム幅を拡大して、その光を前記波長分散素子に出射する、請求項1乃至4の何れか一項記載のレーザ装置。
- 前記少なくとも1つのビーム幅変更素子への入射光の光軸と、前記少なくとも1つのビーム幅変更素子からの出射光の光軸とが略平行である、請求項1乃至5の何れか一項記載のレーザ装置。
- 前記少なくとも1つのビーム幅変更素子への入射光と、前記少なくとも1つのビーム幅変更素子からの出射光とが略同軸である、請求項1乃至5の何れか一項記載のレーザ装置。
- 前記少なくとも1つのビーム幅変更素子への入射光の光軸と、前記少なくとも1つのビーム幅変更素子からの出射光の光軸とが所定の屈折角度を有しており、
前記切換機構は、前記少なくとも1つのビーム幅変更素子と、入射光の光軸と出射光の光軸とが前記所定の屈折角度を有する光学素子とを選択的に光路に配置する、請求項1乃至5の何れか一項記載のレーザ装置。 - 前記共振器から出力されるレーザ光を増幅するパワーオシレータおよびパワーアンプリファイアのいずれか一方をさらに含む、請求項1乃至8の何れか一項記載のレーザ装置。
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