JP2016503239A - 強力なパルスセルフシードｃｏ２レーザー - Google Patents

Abstract

本開示は、ＣＯ２レーザー、及びＣＯ２レーザーのための方法を開示する。ＣＯ２レーザーは、半透明の出力カプラ（３）を有する第１の光共振器の形をとる不安定なレーザー空洞、不安定なレーザー空洞内のレーザー媒質（２）、及びレーザー媒質（２）を励起するための手段（１）を含む。出力カプラ（３）の光アパーチャを越えて伝搬する前記レーザービームの部分は第２の共振器に向けられ、第２の共振器は、少なくとも１つの集束部材（６）を含み、第２の共振器の光路長が第１の光共振器の光路長に等しい又は倍数である。集束部材（６）の焦点面を通過するレーザービームの部分はレーザー媒質の励起がＱスイッチング装置（８）の動作と同調するようにＱスイッチング装置（８）を使用することによって変調される。【選択図】図１

Description

本発明はレーザー技術に関し、特に高出力パルスレーザーシステムに関する。

同時にレーザービームの低い発散量を有しながらレーザー光線の高出力を得ることは、レーザーシステムを作成するときに問題となる場合がある。

出力レーザー光線の発散は、おもにレーザー空洞の特性によって決定される。不安定な空洞は、非常に低い発散量のレーザービームを生じさせるために使用されてよい。係る空洞では、レーザー媒質によって放出される光量子は、光量子が光軸に対してわずかな角度で放出されたとしても固定数のラウンドトリップで空洞アパーチャの端縁に到達する。このようにして、レーザー媒質及び空洞反射体に存在する可能性がある光学収差は出力放射の光学的品質に著しい影響を及ぼさない。

不安定な空洞は、空洞内での２回のそれ以降のトリップにおける線形光ビームのサイズの比率として定義されてよい拡大フィールド係数Ｍによって特徴付けることができる。

不安定な空洞に基づいたレーザーは、高い反射率の出力鏡を含んでよい。係るレーザーでは、出力レーザービームは、リングの形をとる出力鏡のアパーチャを越えて生成されてよい。ただし、係る形の光ビームは、最大軸強度（ガウス空間強度分布又は均一の強度に近い）の光ビームの使用を必要とする用途には適していない。

代わりに、不安定な空洞に基づいたレーザーは、半透明の出力カプラを含んでよい。出力ビームの空間発散と出力ビームの実際の使用の利便性との間の妥協が、係るレーザーで達成されてよい。

高いピーク出力のレーザーパルスは、例えばジャイアントパルス形成としても知られるＱスイッチングの方法によって得られてよい。このレーザー操作モードは、レーザー空洞内部でのレーザー媒質の励起中に空洞損失を高い値から低い値に変更することにあってよい。

空洞損失係数の高い値で、レーザー発生閾値はレーザー発生の進展を妨げるレベルに留まる。この段階では、レーザー媒質は、励起源から励起エネルギーを受け取り、該エネルギーを蓄積する。蓄えられたエネルギーの所望されるレベルに達すると、空洞損失は可能な限り早く低い値に引き下げられる。発生閾値は劇的に削減し、レーザーは、利得が損失を大幅に超えるように誘導放出を生成し始める。

その結果、空洞損失の削減の瞬間までパルスのエネルギーがほぼレーザー媒質に蓄えられたエネルギーとなる場合に、強力なレーザー出力パルスが出現する。パルス持続時間は空洞トリップの数個の期間に等しい。

Ｑスイッチングは多様な方法で実施されてよい。簡略な手法はいわゆる光学機械技法である。この方式では、空洞内の高レベルの損失が、空洞内部に機械的チョッパーを設置することによって達成される。低レベルの損失は、放射の経路からチョッパーを取り除くことによって得られる。

光学機械技法が使用されるとき、高損失状態から低損失状態への遷移に要する時間は、機械的チョッパー位置の平面で可能な限り小さいサイズのレーザービームを使用することによって最小限に抑えることができる。

機械的チョッパー位置の平面でレーザービームサイズを最小限に抑えるために、追加の空洞内構成部品又は空洞凹面鏡の集束特性が使用されてよい（＜＜パルスレーザー蒸着のためのＱスイッチＣＯ２レーザーのスケーリング＞＞、国際光工学会（ＳＰＩＥ）会議記録第３３４３巻、１９９８年、７５９から７６８ページを参照）。

低パルスエネルギーのレーザーの場合、放射の空洞内集束はきわめて良好な場合がある。ただし、高出力レーザーシステムでは、これは、光学破壊等の望ましくない効果につながることがある。Ｑスイッチレーザーでのパルス発生の持続時間は数ナノ秒から数百ナノ秒に及ぶことがある。したがって、パルス発生の持続時間は、空洞内損失を削減するために機械的な手段が要する時間よりもはるかに短いことがある（数マイクロ秒）。機械的チョッパーが放出された放射の伝搬のライン上に依然としてある間に、放出はそのピーク出力に到達することがある。その結果、機械的チョッパーは放出によって損傷を受けることがある。

また、Ｑスイッチングは、例えば電気光学技法によって実行されてもよい。このタイプのＱスイッチングは、伝送が素子に印加される電圧に依存する光学素子によって実装されてよい。

また、電気光学Ｑスイッチ技法の高出力レーザーシステムへの実装は、電気光学結晶が概して他の非結晶空洞内構成部品よりもはるかに低い光学破壊閾値を有するため問題となる場合がある。例えば、米国特許第４４９８１７９号は、出力鏡が半透明である、メイン空洞に設置されるレーザー媒質、該メイン空洞と光学的に結合された追加の共振器、該追加の共振器内部の電気光学Ｑスイッチ、及びＱスイッチ制御装置を含むパルスレーザーを開示している。該レーザーは使用されている電気光学変調器のため、低出力の放射を有する。

強力なパルスを発生させるレーザーシステムを作成するための考えられる手法は、低出力パルスレーザー及び増幅器の組合せである（＜＜Ｑスイッチング及び空洞ダンピングによるＣＯ_２レーザーパルスの発生、並びにマイクロ波励起ＣＯ_２レーザーによるその増幅＞＞、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ．：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２９、１９９６年、５７から６７ページ）。係るシステムでは、Ｑスイッチレーザーは、次いで増幅器の入力パルスとして使用される低エネルギーの短いパルスを発生させる。入力パルスは増幅器の利得媒質を１回又は複数回通過するので、放射は必要とされるレベルのエネルギーに達する。ただし、実際には、増幅器を含むレーザーシステムは複雑且つ扱いにくい場合がある。レーザーシステムは、高コスト及び効率の低下につながることがある追加の同期システムの使用を必要とする。

メインレーザー空洞での放射の効果的な変調は、変調器を空洞内部に設置する、又は次いでマルチパス増幅器の役割を果たすメイン空洞の中に変調された放射をシードするための外部放射源を使用するかのどちらかによって提供できる。

レーザー空洞内部の変調器の場合、Ｑスイッチングの要件は、変調度と空洞内の光子の寿命との関係によって決定されてよい。低変調度の変調器が使用されるレーザーでは、高コントラストパルスの発生は、低空洞損失だけで達成されてよい。空洞損失がより高い（及びレーザー媒質が高利得を有する）場合、光子が空洞を離れる前に数回のラウンドトップしか行う時間を有さないことがあるため、変調度を増加しなければならない場合がある。空洞内変調器の低い光学破壊閾値のため、レーザー光線の高ピーク出力及び高平均出力を同時に達成することは困難である場合がある。

外部放射源の場合、上記制限は回避できるが、メイン空洞で放射の高コントラスト変調を達成することは問題になる場合がある。外部変調済みの変調シード放射が、自己励起の状況にすでに到達し、シード放射とは無関係に誘導放出が起こるメイン空洞の中に入射されると、メイン空洞での出力放射の変調の深さはシード光と自己励起放出の出力比に左右される。したがって、シード放射の出力が不十分である場合、シード放射がその変調をメイン空洞の放出に課すことはできないことがある。他方、変調シード放射の出力が大幅に増大すると、上述したように、高出力変調に関係する問題が発生する場合がある。

本発明の目的は、上述された不利な点を緩和するために方法を実施するための方法及び機器を提供することである。本発明の目的は、独立請求項に記載される内容によって特徴付けられる方法及び配置によって達成される。本発明の好ましい実施形態は、従属請求項に開示される。

セルフシードＣＯ_２レーザーは新しい構成及び光学レイアウトに基づくことがあり、レーザーは半透明の出力カプラを有するメインレーザー空洞に設置されるレーザー媒質、レーザー媒質励起用の手段、及びレーザー空洞と光学的に結合された第２の共振器を含む。

レーザー空洞は不安定に構成される。出力カプラは、出力レーザービームの直径に満たないアパーチャを有してよく、共振器は出力カプラのアパーチャを越えて不安定なレーザー空洞と光学的に結合されてよい。

第２の共振器は結合された少なくとも２つのミラーによって画定されてよく、少なくとも１つの集束部材を含んでよい。共振器の光路長は、該レーザー空洞の光路長に等しい又は倍数であってよい。

レーザーは、Ｑスイッチング装置をさらに含む。Ｑスイッチング装置は、共振器の集束部材の焦点面に設置されるチョッパーとして実装されてよい。Ｑスイッチング装置用の制御装置は、レーザー媒質励起用の手段に電気的に接続されてよい。制御は、レーザー媒質を励起するための手段の動作をＱスイッチング装置の動作と同期させてよい。

開示された構成及び光学レイアウトを使用することによって、高い平均出力で高ピーク出力の高コントラストレーザーパルスを生成することが可能である。

以下では、本発明は、添付図面を参照して好ましい実施形態によってより詳しく説明される。

第２の共振器に無収差集束素子を含む例示的なＣＯ_２レーザーの概略レイアウトを示す図である。 第２の共振器が非点収差集束部材を含む、例示的なレーザーを示す図である。 第２の共振器が非点収差集束部材を含む、例示的なレーザーを示す図である。 機械的なチョッパーの例示的な形状を示す図である。 機械的なチョッパーの例示的な形状を示す図である。

本開示は、不安定なレーザー空洞、ＣＯ２レイジングガス混合物で充填されたレーザーチャンバ等のレーザー空洞内のレーザー媒質、及びレーザー媒質を励起するための手段を含むＣＯ_２レーザーのための方法を開示する。不安定なレーザー空洞は、半透明の出力カプラを有する第１の光共振器の形をとってよい。不安定なレーザー空洞は、例えば伸縮自在のレイアウトで作ることができる。レーザー空洞では、レーザービームはレーザー媒質を励起することによって生成されてよい。

出力カプラのアパーチャの直径は、不安定なレーザー空洞で発生するレーザービームの直径に満たなくてよい。出力カプラは発生したレーザービームを、出力カプラのアパーチャを通過する経路に従う第１の部分、及び出力カプラのアパーチャのそばを通過する経路に従う第２の部分に分割するように構成されてよい。

発生したレーザービームを変調できるようにするためには、第２の共振器は出力カプラの光アパーチャを越えて第１の光共振器と光学的に結合されてよい。言い換えると、出力カプラの光アパーチャを越えて伝搬するレーザービームの部分、つまりレーザービームの第２の部分は、第２の共振器に向けられてよい。第２の共振器は、第２の共振器に向けられたビームの部分を変調するために使用される。レーザービームの変調された部分は、次いで不安定なレーザー空洞に入射し直されてよい。

強力な放射の効果的な（１００％の）変調は、第１の光共振器に入射する放射の量がレーザーの総出力の少なくとも２０％であるときに達成できる。総出力の２０％の条件により、

よりも大きい不安定なレーザー空洞の拡大フィールド係数Ｍが生じる。

第２の光共振器は、少なくとも２つのミラーによって画定されてよい。第２の共振器は、第１のミラーのアパーチャに穴を有する第１のミラーを使用することによって不安定なレーザー空洞と光学的に結合されてよい。第１のミラーは第２の部分を反射するように構成されてよい。つまり、該部分は、レーザービームのアパーチャのそばを通過する経路に従う。

シード放射と空洞内波との間の位相共役の状況は、開示されているレーザーの重要な態様である。位相共役の状況に到達できない場合、出力レーザービームの光学的品質は減少することがあり、発生閾値は増加する。該状況の存在を保証するために、第２の共振器の光路長は第１の光共振器の光路長に等しい又は倍数であってよい。

第２の共振器は、少なくとも１つの集束部材を含んでよい。集束部材は無収差又は非点収差であってよい。集束部材の焦点面を通過するレーザービームの部分は、レーザー媒質の励起がＱスイッチング装置の動作と同調するようにＱスイッチング装置を使用することによって変調されてよい。Ｑスイッチング装置は、第２の共振器内部の該集束部材の焦点面の中に配置されてよい。Ｑスイッチング装置は、例えば、機械的チョッパーであってよい。

レーザーは、レーザー媒質を励起するための手段の動作をＱスイッチング装置の動作と同期させるための手段を含んでよい。これらの手段はレーザー媒質励起のための手段に電気的に接続されてよい。

図１は、その第２の共振器に無収差集束素子を含む例示的なＣＯ_２レーザーの概略レイアウトを示す。図１では、レーザーは出力カプラとして働く半透明の出力鏡３及びきわめて反射性のバックミラー４によって画定される第１の光共振器の形をとるメインレーザー空洞を含む。図１では、レーザー媒質２はメインレーザー空洞に位置する。ポンピング装置１が、レーザー媒質２を励起するための手段として働く。

メインレーザー空洞は不安定に構成される。出力鏡３のアパーチャの直径は、メインレーザー空洞で発生するレーザービームの直径に満たない。結果として、レーザービームの第１の部分は出力鏡３のアパーチャを通過する。一方、レーザービームの第２の部分は出力鏡３のアパーチャのそばを通過する。

図１では、ミラー３及び４の焦点は一致し、拡大フィールド係数Ｍは以下の通り検出できる。

上式では、Ｒ_３は出力鏡３の湾曲の半径であり、Ｒ_４はミラー４の湾曲の半径である。

図１のレーザーは、ミラー５、６、及び７をさらに含み、第２の光共振器を形成する。第２の光共振器は、ミラー３の光アパーチャを越えてメインレーザー空洞と光学的に結合する。第２の光共振器の光路長は、メイン空洞の光路長に等しい又は倍数である。

図１では、ミラー５はメイン空洞の光軸上に設置され、そのアパーチャの中心に穴を有する。穴の形状は、メイン空洞の光軸の方向で出力鏡３のアパーチャの形状に一致する。ミラー５は、ミラー５がミラー３の光アパーチャを越えて出力鏡３のアパーチャのそばを通過し、ミラー６及びミラー７にビームを向けるように傾く。

図１では、球面鏡６及び７が集束部材の機能を果たす。ミラー６及び７は、ミラー６の焦点がミラー７の湾曲の中心と一致するように設置される。

図１の第２の光共振器では、Ｑスイッチング装置８がミラー６の焦点面の中に配置される。Ｑ−スイッチング装置８は、ミラー６の焦点面の中に配置される。Ｑスイッチング装置８は、図４に示されるような機械的チョッパーの形をとる。図４の例示的な機械的チョッパーは、円形チョッパープレート４１を含み、円形の開口部４２がプレート４１を貫通している。動作中、プレート４１は、プレート４１の平面に垂直である軸４３の回りを回転する。

図１のレーザーは、レーザー媒質２を励起するための手段の動作をＱスイッチング装置８の動作と同期させるための手段をさらに含む。制御装置９は、図１で同期のための手段の機能を果たす。Ｑスイッチング装置は制御装置９に電気的に接続され、制御装置９は同様にレーザー媒質２のポンピング装置１に電気的に接続される。制御装置９は、回転角度等の、Ｑスイッチング装置８の状態に基づいてポンピング装置１を制御する。

図１のレーザーは、以下のように動作する。レーザービームは、レーザー媒質２を励起することによってメインレーザー空洞内で生成される。ポンピング装置１は、レーザー媒質２で逆母集団の状況を提供する。自然放出は、励起の下でレーザー媒質２で発生し、メインレーザー空洞のミラー３及び４から反射し、誘導遷移のために増幅されたコヒーレントレーザー光線を生じさせる。

メインレーザー空洞は不安定であり、レーザービームはラウンドトリップごとにＭ倍拡大するので、ビームの第１の部分、つまり周辺部は出力鏡３の光アパーチャを越えて伝搬する。第１の部分は偏向ミラー５に到達し、偏向ミラー５から反射する。このようにして、ビームの第１の部分は第２の共振器に向けられる。

同時に、ビームの第２の部分、つまり半透明の出力鏡３の光アパーチャの中のメイン空洞内部で伝搬するレーザービームの近軸部分は、ミラー３から部分的に反射する。ビームの反射部分は、メイン空洞を通る続く経路を開始する。穴の直径は出力鏡３の光アパーチャの直径に等しいので、ビームの残りはミラー３を通過し、穴を通る偏向ミラー５を迂回する。

ミラー５によってメイン空洞から割り振られる放射はリングの形状を有する。この放射は、球面鏡６の形をとる無収差集束部材に向けられる。ビームの横断方向サイズは、球面鏡６の焦点面の両方の横断方向座標のどちらかで最小になる。

球面鏡６の焦点面では、Ｑスイッチング装置８の機械的チョッパーは、焦点面を通過するレーザービームの部分の振幅を変調する。制御装置９は、レーザー媒質２の励起がＱスイッチング装置８の動作と同調することを制御する。制御装置９は、例えば、機械的チョッパーの回転に基づいてポンピング装置１の動作を制御してよい。

機械的チョッパーを通過後、放射は第２の共振器の球面バックミラー７に到達する。バックミラー７から反射され、放射はＱスイッチング装置８及び球面鏡６を逆の順序で通過する。放射は、次いで偏向ミラー５によって出力鏡３の光アパーチャの向こうからメインレーザー空洞に向けられる。メイン空洞内部で、入射ビームの横断方向サイズはラウンドトリップごとに削減し、放射の強度は増す。

第２の共振器の光路長がメインレーザー空洞の光路長に等しい又は倍数であるので、入射した放射及びメイン空洞内で発生した放射の位相共役の状況が実現される。したがって、入射した変調済みの放射は実際上その変調をメインレーザー空洞に課し、それによって高い平均出力での高ピーク出力の高コントラストパルスの発生を保証する。

また、開示された方法は多様な他の方法で実装できる。図２及び図３は、第２の共振器が非点収差集束部材を含む例を示す。

図２では、出力鏡２２のそばを通過するレーザービームの第１の部分を反射するミラー２１がメイン空洞の外に設置される。図２では、メイン空洞の光路長Ｌと第２の共振器の要素間の光学距離Ｌ_１、Ｌ_２、及びＬ_３の合計の比率が以下の条件を満たし、

上式ではｋは整数である。

図１のものと同様に、ビームの第１の部分、つまり周辺部は、出力鏡２２の光アパーチャを越えて伝搬する。第１の部分は偏向ミラー２１から反射し、図２の第２の共振器に向けられる。

図２では、第２の共振器の非点収差集束部材は、円筒形の凹面鏡２３及び２４によって形成される。ビームの横断方向のサイズは、集束素子の焦点面での横断方向座標の内の１つでのみ最小になる。

Ｑスイッチング装置２５は、ミラー２３の焦点面に設置される。Ｑスイッチング装置２５は、例えば、図５に示される機械的チョッパーを含んでよい。図５の例示的な機械的チョッパーは円形のチョッパー板５１を含み、スリット形の開口部５２がプレート５１を貫通している。プレート５１は、プレート５１の平面に垂直である軸５３の回りを回転する。

図２では、機械的チョッパーを通過後、ビームは第２の共振器の円筒形のミラー２４に到達する。図１のものと同様に、ビームはバックミラー２４から反射し、Ｑスイッチ２５及び円筒形のミラー２３を通過する。ビームは次いで、ミラー２１を使用することによってメインレーザー空洞に向けられる。

図３では、出力鏡３２のそばを通過するレーザービームの第１の部分を反射するミラー３１はメイン空洞内部に設置される。上述の例でのように、メイン空洞の光路Ｌと、図３の第２の共振器の要素間の光学距離Ｌ_１、Ｌ_２、及びＬ_３の合計の比率は、方程式（２）の条件を満たす。図２においてのように、図３の第２の共振器の非点収差集束部材は図３の円筒形の凹面鏡３３及び３４によって形成される。Ｑスイッチング装置３５は、例えば図５に示される機械的チョッパーを含む。

本発明の概念は多様に実施できることが当業者に明らかになるだろう。本発明及び本発明の実施形態は上述の例に制限されるのではなく、特許請求の範囲の範囲内で変化してよい。

Claims (9)

1. 半透明の出力カプラを有する第１の光共振器の形をとる不安定なレーザー空洞と、前記不安定なレーザー空洞内のレーザー媒質と、前記レーザー媒質を励起するための手段とを備えるＣＯ_２レーザーであって、前記レーザーは、
   前記出力カプラの前記光アパーチャを越えて前記不安定なレーザー空洞と光学的に結合された第２の光共振器であって、前記第２の共振器が少なくとも１つの集束部材を備え、前記第２の光共振器の前記光路長が前記第１の光共振器の前記光路長に等しいまたは倍数である第２の共振器と、
   前記集束部材の前記焦点面の中に配置されるＱスイッチング装置と、
   前記レーザー媒質を励起するための手段の動作を前記Ｑスイッチング装置の動作と同期させるための手段と
   をさらに備える、ＣＯ_２レーザー。
2. 前記出力カプラ（３）の前記アパーチャの前記直径が、前記不安定なレーザー空洞で発生するレーザービームの前記直径に満たず、前記出力カプラが、前記発生したレーザービームを、前記出力カプラの前記アパーチャを通過する経路に従う第１の部分、及び前記出力カプラの前記アパーチャのそばを通過する経路に従う第２の部分に分割するように構成され、
   前記第２の共振器が、そのアパーチャに穴を有する第１のミラーによって前記不安定なレーザー空洞と光学的に結合され、前記第２の共振器の前記第１のミラーが前記発生したレーザービームの前記第２の部分を反射するように構成される、
   請求項１に記載のレーザー。
3. 前記不安定なレーザー空洞の拡大フィールド係数が１，１よりも大きい、請求項１又は２に記載のレーザー。
4. 前記集束部材が非点収差である、請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザー。
5. 前記集束部材が円筒形の凹面鏡である、請求項４に記載のレーザー。
6. 前記Ｑスイッチング装置が機械的チョッパーである、請求項１から５のいずれか１項に記載のレーザー。
7. 前記共振器が伸縮自在のレイアウトを有する、請求項１から６のいずれか１項に記載のレーザー。
8. 前記同期させるための手段が、前記Ｑスイッチング装置の前記状態に基づいて前記レーザー媒質を励起するための前記手段を制御する、請求項１から７のいずれか１項に記載のレーザー。
9. ＣＯ_２レーザーのための方法であって、
   半透明の出力カプラを有する第１の光共振器の形をとる不安定なレーザー空洞でレーザー媒質を励起することによって前記レーザー空洞でレーザービームを生成すること
   を含み、
   第２の共振器に前記出力カプラの前記光アパーチャを越えて伝搬する前記レーザービームの一部を向けることであって、前記第２の共振器が少なくとも１つの集束部材を備え、前記第２の共振器の前記光路長が前記第１の光共振器の前記光路長に等しい、又は倍数であることと、
   前記レーザー媒質の前記励起が前記Ｑスイッチング装置の動作と同調するようにＱスイッチング装置を使用することによって前記集束部材の前記焦点面を通過するレーザービームの前記部分を変調させることと
   を含む方法。

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