JP2648498B2

JP2648498B2 - レーザ共振器

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Publication number: JP2648498B2
Application number: JP63167782A
Authority: JP
Inventors: シューリーチュン; エル．リームスタンレー
Original assignee: Amada Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 1987-07-08
Filing date: 1988-07-07
Publication date: 1997-08-27
Anticipated expiration: 2012-08-27
Also published as: JPS6453482A; US4803694A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明はレーザ共振器に関し、特に空洞内波面補正装
置を備えた安定なレーザ共振器に関する。この補正装置
は、特に大断面積レーザゲイン媒体を用いた固体レーザ
の共振器内の再生波面の位相を補正する光学要素を有す
る。

（従来の技術）光学レーザ共振器では、共振器の一端部から他端部を
振動する光子が強力な電磁界を形成し、電磁エネルギを
発生する。この電磁界の形状は光子波長のみならず、鏡
面の整合，曲率，距離やレーザ管の口径等に依存する。
従って、この電磁界は多くの異なった断面形状をとる
（横電磁モード（TEM）と呼ばれる）が、あるモード又
はその混合モードのみがレーザパワーを利用するために
用いられる。

レーザを基本（単一）モード（TEM₀₀又はガウスモー
ド）で動作させるには、高次モードの振動を抑制するた
めに、共振器には通常開口部が形成される。従って、レ
ーザ動作に必要なゲイン媒体（レーザ媒体）の容積が小
さくなり、多モード動作（TEM₁₁）と比較するとレーザ
効率は一般に低い。高出力レーザを構成するには、モー
ド容積を増加させることが要求される。この問題解決法
としては安定入れ子式共振器と不安定共振器の２つの方
法がある。

安定入れ子式共振器では、拡大望遠鏡が安定空洞内に
設けられて、電磁界がゲインに媒体と作用する空洞アー
ム部のモード断面積を拡大する。この種の共振器では、
レーザ光の質は高いが、ゲイン媒体内の熱的歪（例えば
収差）によりそのTEM₀₀モードの容積は制限される。更
に高出力レーザでは、光の口径が小さい共振位置では光
学要求が損傷されるという別の問題がある。

不安定共振器は高容積、高品質のゲイン媒体，即ち、
出力開口部での位相反転のない均一方位半径モードのゲ
イン媒体に通常用いられる。不安定共振器の出力光は面
波でその発散性は充分に小さいが、その電磁界が回折で
結合された出力のために特殊な空間形状をなし、環状出
力光となり、その強度分布に中心穴が生じるという問題
がある。

第５図で、従来の安定入れ子式レーザ共振器はゲイン
（レーザ）媒体１、負（発散）レンズ２と正（収束）レ
ンズ３から成る望遠鏡，空間反射鏡（出力カップラ）4,
100％反射ミラー5,開口部６から成る。

この望遠鏡は２つの機能がある。１つは単位長さ当り
の回折度を増加させるためにレーザ光の寸法を減少され
ることである。右側の光の直径は常にゲイン媒体１と同
じなので、その回折は一定で望遠鏡の倍率Ｍにのみ依存
する。開口部直径ＡはD/M（Ｄはレーザロッドの直径）
に設定される。第２は望遠鏡が可変焦点長の要素である
ことである。この開口部６は高次モード対低次モードの
回折損比率を増加させる。この望遠鏡を調整してある次
数以上の振動モードが閾値に達しないようにすることが
できる。従って、モード選択方法は２つの望遠鏡パラメ
ータ（倍率Ｍと焦点距離ｆ）により制御される。

しかしながら、共振器の左側では光の直径が減少する
ので、レーザ出力が高くなるとミラー４が損傷される問
題がある。

上記の説明で、安定共振器とは、ミラー構成が、レー
ザ鏡の直系より小さい直系の細長ガウス形状最低次モー
ド（第7A図）の安定周期焦点系に対応することを意味す
る。

一方、不安定共振器とは、光学要素構成が第７（Ｂ）
図に示す発散焦点素に対応することを意味する。この場
合には、最低次モードが拡大しレーザミラーの少くとも
１つの全断面を覆う。レーザ出力は部分反射出力ミラー
を通過するよりむしろその回りを通る回折結合光と考え
られる。

不安定共振器の最も有用な形式は共有焦点又は入れ子
式不安定共振器である。この構成の利点は平行出力光が
自動的に出力できる点にある。この共有焦点構成は第８
（Ａ），（Ｂ）図に示すように正分岐と負分岐に分類で
きる。

第６（Ａ）,6（Ｂ）は２つの異なった結合方法の２の
不安定正分岐共振器を示す。２つの対向ミラー11と12
が、ゲイン媒体１を２つのミラー11と12で形成した空洞
部に配置されて、不安定入れ子式共振機を構成する。

不安定正共振器は出力に直接的（第6A図）又は内側穴
13Aをもつ傾斜結合ミラー13を用いて間接的（第6B図）
に結合される。両者共、環状出力ビームが共振器の外部
へ結合される。

負分岐共焦点構成は小半径ミラーが利用できかつミラ
ー配置の公差が緩い実用的利点がある。しかし、この負
分岐共振器は広く実用化されていない。これはケース内
が内部焦点位置で光学的に破壊され易いからである。

上記の安定入れ子式共振器の詳細はP.H.SARKIES著
“光学通信"Vol.31,No.2,P.189,1979年11月号を参照さ
れたい。又不安定光学共振器の詳細はA.E.Siegman著
“応用光学"Vol.13,No.2,P.353,1974年２月号を参照さ
れたい。

（発明が解決しようとする課題）従来のレーザ共振器では、高品質、高出力のレーザ光
を出力カップラー（ミラー）を損なわないで発生するこ
とが困難という問題があった。

本発明の目的は大容量のレーザ媒体が単一方位半径モ
ードで光学的に結合でき、共振要素を損傷せずにかつ又
分布領域内に穴を生じることなく、充分に高い品質の高
い出力レーザを均一に発生できるレーザ共振器を提供す
ることにある。

又、本発明の他の目的は、高品質のレーザ光を得るた
めにレーザ媒体内の熱的歪（収差）を補正する空洞内波
面補正装置を有するレーザ共振器を提供することにあ
る。

［発明の構成］（課題を解決するめの手段）上記目的達成のために、本発明のレーザ共振器は、
（ａ）レーザ媒体からの波面を発散する光学手段と、レ
ーザ光がレーザ媒体を通過した時に生ずる波面収差を補
正して、発散波面をレーザ媒体方向に反射させる凹面鏡
手段とを含む、後方反射手段と、（ｂ）該後方反射手段
に対向し、該光学手段との間に形成される空洞内にレー
ザ媒体を配置して、レーザ光の再生動作のためにフィー
ドバックする出力結合手段から成る。

（作用）本発明のレーザ共振器においては、非球面凹面補正ミ
ラーが設けられているので、高出力及び高品質のレーザ
光が発生できる。

（実施例）本発明の特徴はレーザ媒体で熱的に歪んだ空洞内再生
波面の位相を補正することによりレーザ光の品質を改善
して平面波（プラノ）を発生する高出力レーザ共振器の
構成にある。

本発明のレーザ共振器の説明に先だって、フラッシュ
ランプ励起レーザロッド（レーザ媒体）の光学的歪につ
いて説明する。

大容量略ガウスモードで動作でレーザロッドからより
高いエネルギーを抽出する時に、レーザロッドのレンズ
は熱的に収差をうける。即ち、共振器モードは光学ポン
ピング（励起）により熱光学的にかく乱される。レーザ
ロッドポンプ励起の熱レンズは近軸領域（光軸付近の空
間）のみで無収差となる。しかし、大断面ロッドを含む
高出力レーザ素では、非対象励起又は成長ロッドの不完
全性に起因する収差に加えて、応力による複屈折、不均
等ポンピングによる非球面収差等による２軸焦点収差が
生じる。

固体レーザロッドがポンプ光の吸収により加熱される
と、温度分布が全く不均一になる。円筒状の場合には、
半径方向の温度分布は次式で表わせる。

ここでＴ（ｒ）は半径方向位置の温度,q₀は軸上の熱
電力密度,kは熱電導係数,aはレーザロッドの半径、α，
β，σ…は不純物濃度，ロッド直径，表面仕上げ状態，
ポンピング装置特性等である。

関連する空間波面変調は屈折温度指数の変化に起因
し、［Ｔ（ｏ）−（ｒ）］に比例する。（１）式のかっ
こ内の第１項は公知の空間レンズ効果に関係し、続く項
は第1,第２…高次空間関係している。光学共振器の非球
面歪みは回折損失増大をもたらす。

レーザロッド内の光路長（OPL）の変化は干渉計で測
定できる。ロッド内の熱レンズ収差は共振器の空間モー
ド形状に大きく影響するが、レーザのモードパターンに
影響を及ぼす他の要素としてはゲイン飽和，複屈折等が
ある。

要するに、熱的歪曲されたロッド内には大きな波面収
差が存在し、光学共振器形状の多大の摂動をもたらす。
共振器の大きい歪は半径方向の強度を大きく変化させか
つ又実質的な回折損失をもたらす。第１図は本発明の第
１実施例を示す。この安定光学レーザ共振器はレーザゲ
インロッド（固体）媒体30,負（発散）レンズ31,部分反
射出力結合（カップラ）32,凹面鏡33から成る。

ゲイン媒体30は、これを取り囲む２つの円筒状フラッ
シュランプ又はヘリカルフラッシュランプ（共に図示せ
ず）でポンプアップ（励起）された時に、レーザの再生
動作を行う。２つの円筒状フラッシュランプが用いられ
るときは、ロッド媒体30が２つの楕円の共有焦点に、一
方フラッシュランプが他の２つの焦点に配置される。１
つの共有焦点を共用する２つの楕円の各々の焦点間距離
は励起源とレーザロッドを囲む楕円形反射器の形状で決
定される。この配置により、励起ランプとしてレーザ媒
体を効果的に結合できる。

固体レーザの代表的なものは合成ルビー，ネオジュウ
ム：ガラス（Nd:ガラス），ネオジュウム：イットリウ
ム−アルミニウム−ガーネット（Nd:YAG）である。これ
らの材料において、レーザイオンが媒体の多数の不純物
として存在する。

上記２つの光学要素31,33が後方反射ユニットを構成
する。光波が２つの対向する光学要素32と31,33間を数
百回往復して振動が確立される。

各往復時に、輻射エネルギーの一部が部分的に透明な
ミラー（部分出力結合器）32から送出されてレーザ出力
光を出力する。一方、共振器空洞内で増幅されかつ又ミ
ラー32で部分的な反射れた光がレーザ媒体30にフィード
バックされる。

凹面鏡33は非球面ミラーで、ダイヤモンド加工法によ
り簡単に製造できる。後方反射ユニットの表面形状，特
に非球面ミラー33はレーザ共振器の性能にとっては重要
である。非球面凹面鏡33の形状は既に説明したようにレ
ーザ媒体で生じた光学的収差を補償するよう形成され
る。

第２図は本発明の第２実施例を示す。第１図に示した
発散光学要素31で集束光学要素41と空間フイルタ開口部
44で置き換えられている。他の要素は第１図のものと本
質的に同じである。

空間フィルタ44はレーザ光の高次収差を除去するのに
特に効果的であり、一方非球面ミラー33は低次収差のみ
補正するよう形成される。本実施例はゲイン媒体30が高
次収差を含むレーザ系に最も適している。

非球面ミラー33の形状を決定するには、ゲイン媒体30
による波面歪をまず干渉計で測定する。この干渉計は、
ミラーやガラス板を含む光学手段により光の２つの部分
に分散して異なった光路を通過させ再び一致させたとき
に互に干渉させることにより、波長，スペクトル構造，
屈折率、僅かな線形変位等を正確に決定できる機器であ
る。

干渉テストの結果は干渉縞パターンであり、直接観察
したり又は干渉グラフ（干渉縞パターンとしての光学干
渉現象の記録）として写真撮影できる。

次にゲイン媒体により歪曲した波面を表す測定された
干渉計データは第３図に示す後方反射ユニット光学素で
の補正データと混合される。第３図では、ゲイン媒体30
は位相板50として示されている。次に幾何学的光追跡法
を用いてゲイン媒体開口部を通過する光束51を追跡して
光路長差（OPD）対開口部位置を計算して、OPDマップ上
に示す。本発明の波面補正は、光学設計手順により補正
ミラー形状52と関連する適正な表面パラメータを選択し
てOPDマップ上での変化を最小限にすることである。

補正ミラー52の形状はＺ軸をその回転軸として次式で
定義される。

ここでＺは面のくぼみ（Ｘ−Ｙ面からの距離）,SはＸ
−Ｙ面上Ｚ軸からの距離（S²＝X²＋Y²）、CURVは曲率、
A,B,C,Dは非球面変換定数、Ｋは円錐定数である。

上記の面定数（CURV,A,B,C,D,K）を適宜選択してOPD
マップ上の変化を最小限化できる。そのため、コンピュ
ータによる光追跡法が用いられる。

式（２）で示される非球面ミラーのくぼみとダイヤモ
ンド加工工程の関係を以下簡単に示す。

基本的なダイヤモンド加工工程は通常の加工構造での
製造法と同じ一点（刃物）切削又は平削り（スライス加
工）であるが、その法は特に精密で特殊なダイヤモンド
工具を用いる。ダイヤは天然品質のもので、超精密、超
鋭利に仕上げ研磨される。

金属加工物の場合には、加工物の表面から工具による
せん断加工で材料が切削される。回転する加工物表面に
垂直な直径方向に沿った形状は式（２）の表面くぼみ式
で表わされる。このダイヤモンド加工法における非球
面、ミラー作成データの一例を以下の表に示す。この表
に基づいてダイヤモンド工具の動きが制御される。

第４図を用いて動作を説明すると、レーザ媒体30を出
た歪曲された波面105は発散光学要素（負レンズ）31方
向に伝播し、発散しかつ歪曲した波面106が更に補正光
学要素（ミラー）33方向に伝播する。非球面補正ミラー
33で反射されると、波面106は波面107のごとく過修正さ
れる。発散光学要素31を通過した過修正波面108はゲイ
ン媒体30を再び通過した後で平面波面109になる。部分
出力結合器（部分反射鏡）32は光の再生作用のために負
帰還を行い、この出力波面111はほぼ平面となる。

［発明の効果］本発明の補正用非球面凹面鏡を備えたレーザ共振器は
高出力高品質のレーザ光を発生できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のレーザ共振器の第１実施例の略図、第
２図は本発明のレーザ共振器の第２実施例の略図、第３
図は本発明のレーザ共振器の空洞内波面補正装置を形成
する基本構成を説明するための図、第４図は本発明の原
理を表すレーザ光の波面変化を説明するための図、第５
図は従来の安定入れ子式レーザ共振器の略図、第６図
（Ａ）図は従来の不安定正分岐レーザ共振器の略図、第
６（Ｂ）図は従来の他の不安定正分岐レーザ共振器の略
図、第７（Ａ）図は従来の安定共振器構成を説明する
図、第７（Ｂ）図は従来の不安定共振器構成を説明する
図、第８（Ａ）図は従来の正分岐共有焦点又は入れ子式
不安定共振器構成を説明する図、第８（Ｂ）図は従来の
負分岐共有焦点又は入れ子式不安定共振器構成を説明す
る図である。 30……レーザ媒体、31……負（凹レンズ） 32……部分出力結合器（カップラー） 33……凹面鏡、41……正（凸レンズ） 44……空間フイルタ、50……位相板 51……光束、52……補正ミラー形状

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）レーザ媒体からの波面を発散する
光学手段と、レーザ光がレーザ媒体を通過した時に生ずる波面収差を
補正して、発散波面をレーザ媒体方向に反射させる凹面
鏡手段とを含む後方反射手段と、（ｂ）該後方反射手段に対向し、該光学手段との間に
形成される空洞内にレーザ媒体を配置して、レーザ光の
再生動作のためにフィードバックする出力結合手段から
成ることを特徴とするレーザ媒体を含む空洞部を有する
レーザ共振器。
【請求項２】該光学手段が、発散レンズであることを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載のレーザ共振器。
【請求項３】該光学手段が収束レンズと空間フイルタか
ら成ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のレ
ーザ共振器。
【請求項４】該凹面鏡手段が非球面凹面鏡であることを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載のレーザ共振器。
【請求項５】該非球面凹面鏡が発散波面を過修正して、
この過修正された球面が再度レーザ媒体を通過した後で
平面波となることを特徴とする特許請求の範囲第４項記
載のレーザ共振器。
【請求項６】該空間フイルタがレーザ光の高次収差を除
去しかつ該凹面鏡が低次収差を補正するために用いられ
ることを特徴とする特許請求の範囲第３項記載のレーザ
共振器。
【請求項７】該非球面凹面鏡の形状がここでＺは面のくぼみ、Ｓは半径、CURVは曲率,A,B,C,
D,は非球面変換定数,Kは円錐定数で定義されることを特
徴とする特許請求の範囲第４項記載のレーザ共振器。
【請求項８】（ａ）光学干渉法で干渉縞パターンを観
察し、（ｂ）幾何学形状的光追跡法により光路長差と開口部
位置との関係を表す光路長差マップを計算し、（ｃ）コンピュータによる光追跡法により適正な面パ
ラメータを選択して光路長差マップ上での変化を最小限
化して、最適面定数CURV,A,B,C,D,Kを決定する特許請求
の範囲第７項記載のレーザ共振器。
【請求項９】該非球面凹面鏡がダイヤモンド加工で製作
されることを特徴とする特許請求の範囲第４項記載のレ
ーザ共振器。