JP2910399B2

JP2910399B2 - Ｑスイッチ

Info

Publication number: JP2910399B2
Application number: JP10653392A
Authority: JP
Inventors: 嘉仁平野; 智之中口
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1992-04-24
Filing date: 1992-04-24
Publication date: 1999-06-23
Anticipated expiration: 2014-06-23
Also published as: JPH05299752A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はレーザ共振器のＱ値を
変化させてジャイアントパルスを得るためのＱスイッ
チ、特に電気光学結晶により光の偏光状態を制御してＱ
スイッチングを行うＥＯ（Ｅｌｅｃｔｒｏｏｐｔｉｃ）
Ｑスイッチに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図８は例えばW.Koechner著『Ｓolid Sta
te Laser Engineering 2nd Ed.』，Springer-Verlag ,p
41４〜431,(1988)に示された従来のＱスイッチの構成図
であり、図において１は電気光学結晶、２ａ、２ｂは電
気光学結晶１の対向する略平行の第１及び第２の側面、
３ａ、３ｂは第１及び第２の側面２ａ、２ｂ上に形成さ
れた第１及び第２の電極、４ａ、４ｂは第１の電極３
ａ、第２の電極３ｂに接続した第１及び第２の電圧印加
線、５はスイッチング電源、３０ａ、３０ｂはレーザ光
が入力あるいは出力される端面である。また図９はこの
Ｑスイッチを用いたレーザの構成図であり、６は全反射
鏡、７は出力鏡、８はレーザ媒質、９は偏光子である。

【０００３】電気光学結晶１としてはＫＤ^* Ｐ，ＬｉＮ
ｂＯ₃ などがあるが、ここでは潮解性などがなく、低電
圧駆動が可能なため一般に良く用いられているＬｉＮｂ
Ｏ₃について説明する。第１および第２の電極３ａ、３
ｂは一般的に研磨された一対の平行な側面２ａ、２ｂ全
面にＣｒもしくはＮｉをベースとしＡｕをなどを蒸着し
て作製される。またレーザ光が通過する対向する端面３
０ａ、３０ｂは通常略平行に研磨され、反射防止膜が施
される。ＬｉＮｂＯ₃ は一軸性の結晶であり電圧を印加
していない場合、ｘ軸方向、ｙ軸方向での屈折率はｎ
ｏ、ｚ軸方向の屈折率はｎｅである。光の伝搬方向をｚ
軸、電圧の印加方向をｘ軸方向にとると、屈折率楕円体
は式（１）で与えられる。

【０００４】ｘ² ／ｎｏ² ＋ｙ² ／ｎｏ² −２γ₂₂ ・Ｅｘ・ｘｙ＝１（１） γ₂₂：電気光学テンソルの２２成分Ｅｘ：電圧印加により結晶内に発生する電界式（１）は結晶軸ｘ、ｙをｚ軸に関して４５度回転した
結晶軸Ｘ、Ｙに変換し、すると式（２）のように変換さ
れる。

【０００５】Ｘ² （１／ｎｏ² −γ₂₂・Ｅｘ）＋Ｙ² （１／ｎｏ² ＋γ₂₂・Ｅｘ）＝１（２）式（２）より、電圧を印加したときの結晶軸はＸ、Ｙで
あり、各結晶軸における屈折率の電界に対する依存性は
式（３）、式（４）になる。

【０００６】ｎ_X ＝ｎｏ＋０．５・ｎｏ³ ・γ₂₂・Ｅｘ（３）

【０００７】ｎ_Y ＝ｎｏ−０．５・ｎｏ³ ・γ₂₂・Ｅｘ（４）

【０００８】ｘ方向またはｙ方向の偏光方向の持つ光が
入射した場合、伝搬に応じてＸ方向成分とＹ方向成分に
伝搬位相差ができるため出射時において偏光状態が入射
偏光状態から変化する。すなわち電気光学結晶１は印加
電圧の値により通過する光の偏光状態を任意に制御でき
ることとなる。

【０００９】電気光学結晶１と偏光子９を用いたＥＯ
Ｑスイッチは多くの型のレーザ共振器構成で使用可能で
ある。ここでは便利のため、最も一般的に用いられる図
９のＱスイッチレーザ共振器構成でＱスイッチ動作につ
いて説明する。ＥＯＱスイッチは偏光子９の通過偏光
方向と電気光学結晶１のｘ軸方向、もしくはｙ軸方向を
平行にするように構成される。電気光学結晶１に電圧を
印加しない条件では式（３）、式（４）より偏光状態は
変化しないため、偏光子９の通過偏光方向の光は全反射
鏡６、出力鏡７の間で共振可能である。電圧を印加した
場合は偏光子９を通過した直線偏光の光は、全反射鏡６
で折り返される間に電気光学結晶１を２度通過し偏光状
態が変化する。これにより、偏光子９に到達した光の一
部はレーザ共振器の外に放出される。特に電気光学結晶
１に印加する電圧が伝搬位相差がπ／２を与える電圧Ｖ
_A （ただしＡ＝λ／４、以下同様）の時、偏光子９到達
する光は偏光子透過偏光に対し直交した偏光となるため
すべての光を共振器外に放出する。

【００１０】レーザ媒質８を励起している状態で、電気
光学結晶１にＶ_A を与えれば、レーザ媒質８から生じる
自然放出光は共振器内で共振できないためレーザ発振は
抑止され励起エネルギーは反転分布の形でレーザ媒質８
に蓄積される。十分にエネルギーが蓄積された時に、ス
イッチング電源５により電圧をＶ_A から０にスイッチン
グするとレーザ共振が起こり、急激な誘導放出によりレ
ーザ媒質８に蓄積されたエネルギーを光エネルギーに変
換する。このエネルギーの１部は出力鏡７からジャイア
ントパルスとして放出される。

【００１１】実際の使用においては、式（１）に示した
電気光学定数γ₂₂は、電気光学結晶１が圧電結晶であ
り、これで生じる歪みにより光弾性効果が屈折率変化を
おこすため式（５）に示すγ₂₂´に置き換えられる。

【００１２】 γ₂₂´＝γ₂₂＋ｐ_2k・ｄ_2k （５）ｐ_2k：光弾性定数ｄ_2k：圧電定数

【００１３】式（５）の第２項は負の値として加算され
るため、Ｖ_A はγ₂₂により定まる値に比べ通常３０％程
度の高くなる。電気光学効果は電界による電子の分極を
誘起するものであり応答は極めてはやいが、圧電効果は
電子の分極により原子が移動する効果であるため応答速
度は原子と電子の質量比により決まり数万倍遅い。この
ためスイッチング電源５により１０ｎｓ程度の速度で電
圧を０に変化させた瞬間は電気光学効果により変化を受
けていた偏光変化のみがスイッチされ、光弾性効果によ
る偏光変化の緩和時間はその後数１００ｎｓかかる。

【００１４】さらにこの原子が近接していた状態からの
解放は第１の電極３ａと第２の電極３ｂの位置が解放端
となっているため結晶内の原子間の振動（すなわち音
波）を発生させる。この音波の内、２電極間の共振条
件、すなわち２電極間の距離をｄとして、ｆ＝Ｖｐ・Ｎ／（２・ｄ）（６）Ｎ＝１，２，・・・ｆ：共振周波数Ｖｐ：音波の速度（縦波・横波が２種類それぞれ異な
る）で決まる共振状態で定在波を生じる。これが光弾性効果
により屈折率変化を誘起し通過光の偏光状態を変調す
る。光の通過領域が電気光学結晶１の厚み方向の中心を
通過する場合、この部分が定在波の腹に相当するＮ＝２
Ｍ−１（Ｍは整数）での変調度が著しく大きくなる。こ
の偏光状態の変調により電気光学結晶１通過光は偏光子
９を通過する偏光に垂直な偏光成分が生じ、偏光子９か
らそとに放出される。すなわちレーザ共振器内の損失が
式（６）に従って変調されることになる。縦波と横波の
３種類の音波の速度を〜５０００ｍ／ｓとすると、電極
間の距離を５ｍｍとして変調周波数は５００ｋＨｚ・Ｎ
となる。またＬｉＮｂＯ₃ の音波伝搬損失は０．１ｄＢ
／ｃｍ・ＧＨｚ² 程度と小さいため電気光学結晶１の電
極間は音波に対し非常にＱ値の高い共振器となってしま
う。

【００１５】スイッチング電源５により電圧をＶ_A から
０にスイッチングした後にジャイアントパルスはレーザ
媒質８の自然放出光から増大していくため、実際に誘導
放出が急激におこりパルスが生成される（ビルドアッ
プ）までの時間は、レーザ媒質８に蓄積されたエネルギ
ーにより数１００ｎｓ〜数μｓかかる。その後、数ｎｓ
〜数１００ｎｓ程度のジャイアントパルスが生成され
る。このビルドアップ時、ジャイアントパルス生成時
に、図１０のように上記音波の共振によるレーザ共振器
内の過渡的な損失が伴うため、レーザ発振効率は低下し
てしまう。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】従来のＱスイッチは以
上のように構成されているので、電気光学結晶に印加す
る電圧のスイッチング時に結晶内に音波が誘起され、こ
の音波が電気光学結晶内で共振し定在波を生じるため、
光弾性効果に起因して偏光状態が変調され、ジャイアン
トパルス生成時に共振器内に過渡的に損失が発生してレ
ーザの発振効率が著しく低下するという問題点があっ
た。

【００１７】この発明は上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、電気光学結晶内で発生する音波
の共振を押さえこれにより共振器内の過渡的な損失を低
減して発振効率の改善を行ったＱスイッチを得ることを
目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】第１の発明に係るＱスイ
ッチは、電気光学結晶内で発生する音波の共振を押さえ
るようにしたものであり、以下の要素を有するものであ
る。（ａ）光を透過させる電気光学部材、（ｂ）上記電気光学部材に対して電圧を印加する電圧印
加手段、（ｃ）上記電気光学部材内に生ずる音波の定在波を抑制
する抑制手段。

【００１９】第２の発明に係るＱスイッチは、電気光学
結晶の電極面のすくなくとも一方に、電気光学結晶と音
響インピーダンスの整合をとって音波拡散手段を設置す
るものであり、以下の要素を有するものである。（ａ）一対の側面を有する電気光学部材、（ｂ）上記電
気光学部材の一対の側面に対して電圧を印加する電源、
（ｃ）上記電気光学部材の一対の側面の少なくとも一方
の側面に設けられ、上記電源による電圧の切り替えによ
って生ずる音波の進行方向を変更する音波拡散手段。

【００２０】第３の発明に係るＱスイッチは、電気光学
結晶の電極面の一方に同じ形状の第２の電気光学結晶を
音響インピーダンスの整合をとって設置するものであ
り、以下の要素を有するものである。（ａ）形状を同一にした第１と第２の電気光学部材、
（ｂ）上記第１と第２の電気光学部材の間に形成された
共通電極、（ｃ）上記第１と第２の電気光学部材の外側
に形成された一対の個別電極、（ｄ）上記個別電極に同
電圧を印加し、共通電極に個別電極に印加した電圧とは
異なる電圧とを印加する電源。

【００２１】

【作用】第１の発明においては、抑制手段が電気光学結
晶に発生する音波の定在波を抑制する。

【００２２】そして、その抑制手段の一例として、第２
の発明では、音波拡散手段が、媒質内で音波の方向をか
え共振を低減する。

【００２３】さらに、第３の発明では、第２の電気光学
結晶で逆相の音波を発生させ電気光学結晶で発生する音
波を打ち消す。

【００２４】

【実施例】実施例１．図１は第１及び第２の発明の一実
施例によるＱスイッチの構成図である。図において１は
電気光学結晶、３ａ、３ｂは第１及び第２の電極、１０
は対向する面のうち第１の電極３ａとむかう面を第１の
側面２ａと平行な平面としこれに対向する面を第１の側
面２ａに対して角度をもたせた音波拡散手段（抑制手段
の一例）、３１は音波拡散手段１０の第１の電極３ａと
対向する面に作製した反射面、１１は接触層である。

【００２５】音波拡散手段１０は電気光学結晶１と音響
インピーダンスが近い材料で作製される。電気光学結晶
１をＬｉＮｂＯ₃ とすると音響インピーダンスは約３０
×１０^-5であり、銅、鉄、銀などの金属材料を用いるこ
とでインピーダンス整合がとれ８０％以上の音波の透過
率が得られる。また接触層１１は、インジウムシートや
導電性の接着剤などの材料で音波拡散手段１０と電気光
学結晶１に十分な応力を与えて空気層を残さずに密着す
ることにより数μｍ程度とすることができ、これは音波
の波長に比べて十分小さいため反射や散乱等は無視でき
る。スイッチング電源５により音波拡散手段１０と第２
の電極３ｂに印加する電位差をＶ_A （Ａ＝λ／４、以下
同様）から０にスイッチングを行った場合に、電気光学
結晶１から発生する音波は電気光学結晶１から音波拡散
手段１０に第１の電極３ａに垂直（矢印Ａの方向）に伝
搬していき、音波拡散手段１０の第１の電極３ａと対向
する面に作製した反射面３１により方向が変化して矢印
Ｂの方向へ折り返される。このためこの反射成分は、第
２の電極３ｂと共振して定在波が生じることがなく光が
伝搬する領域において音波による屈折率変動が低減でき
る。以上のように、この実施例は、電気光学結晶と、上
記電気光学結晶に作製された略平行な一対の側面と、上
記電気光学結晶の端面の一方に入射し、他方から出射す
る光の光軸上に設置された偏光子からなるＱスイッチに
おいて、上記略平行な一対の側面のすくなくとも一方に
音波拡散手段を設けたことを特徴とする。また、上記音
波拡散手段は、音波伝搬電極と、上記音波伝搬電極と上
記電気光学結晶の一対の側面の一方を音響インピーダン
スの整合をとって略全面の接触面で接触させる手段によ
り構成され、上記音波伝搬電極の接触面に対向する面を
接触面に対し傾斜させたことを特徴とする。

【００２６】実施例２．なお、上記実施例１では、音波
拡散手段１０は第１の電極３ａと音響インピーダンス整
合をとって設置したが、図２に示すように、２つの音波
拡散手段１０ａ、１０ｂを第１の電極３ａ、第２の電極
３ｂとそれぞれ音響インピーダンス整合をとって設置す
ればさらに高い屈折率変動の低減が可能である。

【００２７】実施例３．また、上記実施例１では、第１
の電極３ａに接触層１１を密着させたが、第１の電極３
ａを作製せず、第１の側面２ａに直接接触層１１を密着
させても同様の効果が得られる。

【００２８】実施例４．また、上記実施例１では、便利
のため音波拡散手段１０として金属を用いこれを電極と
して用いたが音響インピーダンズの整合したものとして
例えば電気光学結晶１と等しい材料を用い第１の電極３
ａ、第２の電極３ｂにスイッチング電圧を与えても同様
の効果が得られる。

【００２９】実施例５．また、上記実施例１では、光軸
方向に傾きをもった反斜面をもった音波拡散手段１０を
用いてＱスイッチを構成したが、図３に示すように、光
軸と垂直方向に傾きをもった反斜面をもった音波拡散手
段１０ｃを用いても同様の効果が得られる。

【００３０】実施例６．また、上記実施例１では第１の
電極３ａに対して傾きをもった反斜面をもつ音波拡散手
段１０ｄを用いてＱスイッチを構成したが、図４に示す
ように散乱面を設けても同様の効果が実現できる。

【００３１】以上のように、この実施例は、上記音波拡
散手段が、音波伝搬電極と、上記音波伝搬電極と上記電
気光学結晶の一対の側面の一方とを音響インピーダンス
の整合をとって略全面の接触面で接触させる手段により
構成され、上記音波伝搬電極の接触面に対向する面に音
波に対する拡散面が形成されていることを特徴とする。

【００３２】実施例７．また、上記実施例１では第１の
電極３ａに対して傾きをもった反射面をもつ音波拡散手
段１０を用いてＱスイッチを構成したが、図５に示すよ
うに回折格子をもうけた音波拡散手段１０ｅを用いても
同様の効果が実現できる。すなわち、この実施例は、上
記音波拡散手段が、音波伝搬電極と、上記音波伝搬電極
と上記電気光学結晶の一対の側面の一方を音響インピー
ダンスの整合をとって略全面の接触面で接触させる手段
により構成され、上記音波伝搬電極の接触面に対向する
面に音波に対する反射型回折格子を形成したことを特徴
とする。

【００３３】実施例８．上記実施例２では、同種の音波
拡散手段１０ａ、１０ｂを用いて、Ｑスイッチを構成し
たが、前述したような異種の音波拡散手段１０、１０
ｃ、１０ｄ、１０ｅ等を組みあわせても同様の効果が期
待できる。

【００３４】実施例９．図６は第１及び第３の発明の一
実施例によるＱスイッチの構成図である。図において１
３は第１の電気光学結晶、１６は第２の電気光学結晶、
１４ａ、１４ｂは第１の電気光学結晶１３に略平行に作
製された一対の第１側面、１５ａ、１５ｂは一対の第１
側面１４ａ、１４ｂに略全面に形成された一対の第１電
極、１７ａ、１７ｂは第２の電気光学結晶１６に略平行
に作製された一対の第２側面、１８ａ、１８ｂは一対の
第１側面１７ａ、１７ｂに略全面に形成された一対の第
２電極、１９は共通電極、２０ａは第１電極１５ｂと共
通電極１９の間に空気層なく接触された第１の接触層、
２０ｂは第２電極１７ａと共通電極１９の間に空気層な
く接触された第２の接触層、スイッチング電源５は第１
電極１５ａと第２電極１８ｂに共通な電位を与え、共通
電極１９に異なる電位を与え、電位差をＶ_Aから０に変
化させる。

【００３５】第１の電気光学結晶１３と第２の電気光学
結晶１６は結晶軸、電極、厚みを一致させてある。共通
電極１９は厚み１００μｍ以下の金属薄膜であり、第１
の接触層２０ａ、第２の接触層２０ｂはＩｎ薄膜や導電
性接着材などを第１の電気光学結晶１３、共通電極、第
２の電気光学結晶１６の間に挿入し圧力を加えて接触さ
せて作製する。スイッチング電源５により共通電極１９
の電位と、第１電極１５ａまたは第２電極１８ｂに与え
る電位をスイッチングすると第１の電気光学結晶１３ま
たは第２の電気光学結晶１６に音波が発生する。発生し
たる音波は共通電極１９を介して対向する結晶にむけて
伝搬する。このとき、両結晶間の音響インピーダンスが
十分とれているので定在波は図７に示すように立ちその
周波数は、式（６）と同様に両結晶の厚みをｄとして、
共通電極１９、接触層２０の厚みを無視すると式（７）
となる。

【００３６】ｆ＝Ｖｐ・Ｎ／（４・ｄ）（７）

【００３７】ここで第１電極１５ａと第２電極１８ｂに
同電位を与えスイッチングすると第１の電気光学結晶１
３で発生した音波の位相と第２の電気光学結晶１６で発
生する音波の位相は逆相となり定在波は打ち消しあう
（抑制手段の一例）。これにより第１の電気光学結晶１
３を伝搬する光は偏光の変調度が低減される。

【００３８】以上のように、この実施例は、第１の電気
光学結晶と、上記第１の電気光学結晶に作製された略平
行な一対の第１側面と、上記第１の電気光学結晶の端面
の一方に入射し、他方から出射する光の光軸上に設置さ
れた偏光子からなるＱスイッチにおいて、上記第１の電
気光学結晶と結晶軸および形状を同一とした第２の電気
光学結晶と、上記第２の電気光学結晶に作製された略平
行な一対の第２側面と、上記一対の第１側面の一方と上
記一対の第２側面の間に設置された共通電極とにより構
成されることを特徴とする。

【００３９】実施例１０．また、上記実施例では、便利
のため第１電極１５ｂ、第２電極１８ａを第１の接触層
２０ａ、第２の接触層２０ｂを介して共通電極１９に密
着させたが、電極１５ｂ、１８ａを作製せず、第１側面
１４ｂ、第２側面１７ａに直接第１の接触層２０ａ、第
２の接触層２０ｂを密着させても同様の効果が得られ
る。

【００４０】実施例１１．なお、上記実施例１〜１０で
は、音波を電気光学結晶１内の原子間の振動として説明
したきたが、原子間の振動は、レーザ発振効率を低下さ
せてしまう信号の一例であり、ここでいう音波とは、原
子間の振動のみならず、外力、熱、摩擦等のその他の要
因によってレーザ発振効率を低下させてしまうその他の
信号も含むものとし、この発明は、これらその他の要因
によって生ずる音波に対しても有効に作用するものであ
る。

【００４１】

【発明の効果】第１の発明によれば、抑制手段によりＱ
スイッチング時に電気光学部材の内で発生する音波の定
在波を抑えることとしたので、偏光の変調を低減でき、
これによりこのＱスイッチを用いれば高効率のＱスイッ
チレーザを実現できる効果がある。

【００４２】第２の発明によれば、Ｑスイッチング時に
電気光学部材の内で発生する音波の光路を音波拡散手段
により変化させ、定在波を抑えることとしたので、偏光
の変調を低減でき、これによりこのＱスイッチを用いれ
ば高効率のＱスイッチレーザを実現できる効果がある。

【００４３】第３の発明によれば、Ｑスイッチング時に
電気光学結晶の内で発生する音波を、音響インピーダン
スを整合させた等価な電気光学結晶を同条件で駆動する
ことにより発生する音波により打ち消すことで定在波を
抑え、偏光の変調を低減でき、これによりこのＱスイッ
チを用いれば高効率のＱスイッチレーザを実現できる効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１、第２の発明の一実施例によるＱスイッチ
の構成図である。

【図２】第１、第２の発明の他の一実施例によるＱスイ
ッチの構成図である。

【図３】第１、第２の発明の他の一実施例によるＱスイ
ッチの構成図である。

【図４】第１、第２の発明の他の一実施例によるＱスイ
ッチの構成図である。

【図５】第１、第２の発明の他の一実施例によるＱスイ
ッチの構成図である。

【図６】第１、第３の発明の一実施例によるＱスイッチ
の構成図である。

【図７】第１、第３の発明の一実施例によるＱスイッチ
の効果の説明図ある。

【図８】従来のＱスイッチの構成図である。

【図９】従来のＱスイッチレーザの構成図である。

【図１０】従来のＱスイッチレーザの課題の説明図であ
る。

【符号の説明】

１電気光学結晶２ａ，２ｂ側面３ａ，３ｂ電極４ａ，４ｂ電圧印加線５スイッチング電源６高反射鏡７出力鏡８レーザ媒質９偏光子１０音波伝搬電極１１接触層１３第１の電気光学結晶１４ａ，１４ｂ第１側面１５ａ，１５ｂ第１電極１６第２の電気光学結晶１７ａ，１７ｂ第２側面１８ａ，１８ｂ第２電極１９共通電極２０ａ，２０ｂ接触層３０ａ，３０ｂ端面

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】以下の要素を有するＱスイッチ（ａ）光を透過させる電気光学部材、（ｂ）上記電気光学部材に対して電圧を印加する電圧印
加手段、（ｃ）上記電気光学部材内に生ずる音波の定在波を抑制
する抑制手段。
【請求項２】以下の要素を有するＱスイッチ（ａ）一対の側面を有する電気光学部材、（ｂ）上記電気光学部材の一対の側面に対して電圧を印
加する電源、（ｃ）上記電気光学部材の一対の側面の少なくとも一方
の側面に設けられ、上記電源による電圧の切り替えによ
って生ずる音波の進行方向を変更する音波拡散手段。
【請求項３】以下の要素を有するＱスイッチ（ａ）形状を同一にした第１と第２の電気光学部材、（ｂ）上記第１と第２の電気光学部材の間に形成された
共通電極、（ｃ）上記第１と第２の電気光学部材の外側に形成され
た一対の個別電極、（ｄ）上記個別電極に同電圧を印加し、共通電極に個別
電極に印加した電圧とは異なる電圧とを印加する電源。