JP2951050B2 - ２波長発振ｑスイッチｃｏ２レ−ザ装置 - Google Patents
２波長発振ｑスイッチｃｏ２レ−ザ装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はレーザ同位体分離に代表
されるレーザを用いた光化学反応に於て要求される、同
一励起空間から同軸状に同時にかつ安定に２波長で発振
するパルスＣＯ2レーザ光を得るためのＱスイッチＣＯ2
レーザ装置に関する。
されるレーザを用いた光化学反応に於て要求される、同
一励起空間から同軸状に同時にかつ安定に２波長で発振
するパルスＣＯ2レーザ光を得るためのＱスイッチＣＯ2
レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】レーザ光の単色性・高輝度性を利用した
レーザ光化学反応は従来の反応技術では得られなかった
有機物の合成、同位体の分離が可能であることからレー
ザの新しい応用分野として現在盛んに研究が行われてい
る。その中でもＣＯ2レーザを用いるウラン２３５、炭
素１３同位体の分離・濃縮は近年の著しいＣＯ2レーザ
技術の進歩に伴いその工業プロセス実現への期待が高ま
っている。ＣＯ2レーザを用いるレーザ光化学反応は分
子の赤外多光子の共鳴吸収励起・解離を利用するもので
あり、レーザの特性としては高尖頭値出力を有するパル
ス光が要求される。また分子の励起準位の間隔は高励起
準位ほど狭くなり、すなわち共鳴吸収波長は長波長側へ
シフトする。従って基底準位から中間励起準位迄を短波
長光で励起し、更に長波長光で解離する複数波長光を同
時に使用することにより、単一波長光の場合より著しく
解離反応効率が改善されることが知られている。
レーザ光化学反応は従来の反応技術では得られなかった
有機物の合成、同位体の分離が可能であることからレー
ザの新しい応用分野として現在盛んに研究が行われてい
る。その中でもＣＯ2レーザを用いるウラン２３５、炭
素１３同位体の分離・濃縮は近年の著しいＣＯ2レーザ
技術の進歩に伴いその工業プロセス実現への期待が高ま
っている。ＣＯ2レーザを用いるレーザ光化学反応は分
子の赤外多光子の共鳴吸収励起・解離を利用するもので
あり、レーザの特性としては高尖頭値出力を有するパル
ス光が要求される。また分子の励起準位の間隔は高励起
準位ほど狭くなり、すなわち共鳴吸収波長は長波長側へ
シフトする。従って基底準位から中間励起準位迄を短波
長光で励起し、更に長波長光で解離する複数波長光を同
時に使用することにより、単一波長光の場合より著しく
解離反応効率が改善されることが知られている。
【０００３】この様な要求に対応するため、従来から横
方向励起大気圧動作（Transeversely Excited at Atomo
spheric pressure 以下ＴＥＡと呼ぶ）ＣＯ2レーザが用
いられている。ＴＥＡレーザに於てはレーザ媒質が大気
圧近傍であることからレーザ媒質相互間の衝突確率が高
く、その時定数は1ns 以下である。それに対しＴＥＡレ
ーザのパルス時間幅は50〜100ns であり、従ってレーザ
媒質の同一空間から、２波長以上を得ようとするとパル
ス時間内で発振波長間で競合が起こり、最も利得係数の
高い波長のみが発振し他の波長は発振しないかまたはそ
の出力が不安定となるという問題点がある。
方向励起大気圧動作（Transeversely Excited at Atomo
spheric pressure 以下ＴＥＡと呼ぶ）ＣＯ2レーザが用
いられている。ＴＥＡレーザに於てはレーザ媒質が大気
圧近傍であることからレーザ媒質相互間の衝突確率が高
く、その時定数は1ns 以下である。それに対しＴＥＡレ
ーザのパルス時間幅は50〜100ns であり、従ってレーザ
媒質の同一空間から、２波長以上を得ようとするとパル
ス時間内で発振波長間で競合が起こり、最も利得係数の
高い波長のみが発振し他の波長は発振しないかまたはそ
の出力が不安定となるという問題点がある。
【０００４】そこで単一のＴＥＡ ＣＯ2レーザ装置か
ら複数波長を得る方法としてSov.J.Quantum Electron.
Vol.15 No.5 p689-691 (1985) に、レーザ媒質空間を３
箇所に分けて、それぞれの空間から回折格子と出力鏡に
より別々の３波長を取り出す方法が提案されている。し
かしこの方法ではレーザ媒質空間全体を有効に利用する
ことができないため発振効率が低 く、また発振光軸が同
一でないという問題がある。
ら複数波長を得る方法としてSov.J.Quantum Electron.
Vol.15 No.5 p689-691 (1985) に、レーザ媒質空間を３
箇所に分けて、それぞれの空間から回折格子と出力鏡に
より別々の３波長を取り出す方法が提案されている。し
かしこの方法ではレーザ媒質空間全体を有効に利用する
ことができないため発振効率が低 く、また発振光軸が同
一でないという問題がある。
【０００５】特開平1-96977 号公報には多波長同期型Ｔ
ＥＡ ＣＯ2レーザ発振方法が開示されている。これは
レーザガス組成の異なる複数のレーザ媒質を単一のスイ
ッチング素子で励起し、各レーザ媒質からそれぞれ異な
る波長のレーザ光を同時に得るものである。この方法は
複数波長のレーザ光を同時に得るには有効であるが、レ
ーザ媒質を複数必要とすることから装置が大型化し、ま
た前記の例と同様に発振光軸が同一でないという問題点
がある。
ＥＡ ＣＯ2レーザ発振方法が開示されている。これは
レーザガス組成の異なる複数のレーザ媒質を単一のスイ
ッチング素子で励起し、各レーザ媒質からそれぞれ異な
る波長のレーザ光を同時に得るものである。この方法は
複数波長のレーザ光を同時に得るには有効であるが、レ
ーザ媒質を複数必要とすることから装置が大型化し、ま
た前記の例と同様に発振光軸が同一でないという問題点
がある。
【０００６】J.Appl.Phys. Vol.57 No.7 p2654-2655 (1
985)には単一レーザ媒質から２波長レーザ光を同軸に且
つ同期して得る方法が提案されている。レーザ装置は回
折格子を用いてレーザ媒質外部では各波長の光軸を分離
し、それぞれの波長に対し別個のレーザ共振器を有する
ように構成されている。この方法は利得係数の高い波長
のレーザ共振器内に置かれた該波長に対する過飽和吸収
体等の損失素子により発振を抑制し、波長間の競合を抑
えることにより他の一方の波長の同時発振を促すもので
ある。この方法では２波長としてＣＯ2レーザの波長10.
6μｍ帯と9.6μｍ帯の比較的離れた波長間では同時発振
が得られるものであるが、ＴＥＡ ＣＯ2レーザでは各
発振波長帯内の比較的近い２波長間では競合の十分な抑
制は不可能であり同時発振は得られないという問題があ
った。またレーザ利得の微少変化に対して発振タイミン
グが変動するため固定損失量を持った損失素子では長時
間連続動作時の安定同時発振は困難であった。
985)には単一レーザ媒質から２波長レーザ光を同軸に且
つ同期して得る方法が提案されている。レーザ装置は回
折格子を用いてレーザ媒質外部では各波長の光軸を分離
し、それぞれの波長に対し別個のレーザ共振器を有する
ように構成されている。この方法は利得係数の高い波長
のレーザ共振器内に置かれた該波長に対する過飽和吸収
体等の損失素子により発振を抑制し、波長間の競合を抑
えることにより他の一方の波長の同時発振を促すもので
ある。この方法では２波長としてＣＯ2レーザの波長10.
6μｍ帯と9.6μｍ帯の比較的離れた波長間では同時発振
が得られるものであるが、ＴＥＡ ＣＯ2レーザでは各
発振波長帯内の比較的近い２波長間では競合の十分な抑
制は不可能であり同時発振は得られないという問題があ
った。またレーザ利得の微少変化に対して発振タイミン
グが変動するため固定損失量を持った損失素子では長時
間連続動作時の安定同時発振は困難であった。
【０００７】またＱスイッチＣＯ2レーザに於て単一レ
ーザ媒質から２波長同軸発振を得る方法としてProceedi
ngs of Internasional Symposium on Isotope Separati
on and Chemical Exchange Uranium Enrichment.L-1.(1
990)に回折格子による回折角の波長依存性を利用して２
波長の光軸を分離し、各々独立にレーザ共振器を構成す
る装置が示されている。この方法はＱスイッチＣＯ2レ
ーザから同軸に２波長レーザ光を得るには有効である。
しかし２波長が接近している場合は回折角の差は小さく
なり、従って２波長の光軸の分離角は小さくなる。そこ
で二つの共振器を互いに干渉せずに独立に構成するため
にはレーザ共振器の全反射鏡の直径程度まで二つの光軸
が分離されるまでレーザ光の伝搬距離を大きくする必要
があり、必然的に共振器長を長くしなければならない。
その結果、装置の大型化、レーザパルス時間幅の増加、
共振器損失の増加、共振器アライメントの不安定化・煩
雑化という問題が生じる。
ーザ媒質から２波長同軸発振を得る方法としてProceedi
ngs of Internasional Symposium on Isotope Separati
on and Chemical Exchange Uranium Enrichment.L-1.(1
990)に回折格子による回折角の波長依存性を利用して２
波長の光軸を分離し、各々独立にレーザ共振器を構成す
る装置が示されている。この方法はＱスイッチＣＯ2レ
ーザから同軸に２波長レーザ光を得るには有効である。
しかし２波長が接近している場合は回折角の差は小さく
なり、従って２波長の光軸の分離角は小さくなる。そこ
で二つの共振器を互いに干渉せずに独立に構成するため
にはレーザ共振器の全反射鏡の直径程度まで二つの光軸
が分離されるまでレーザ光の伝搬距離を大きくする必要
があり、必然的に共振器長を長くしなければならない。
その結果、装置の大型化、レーザパルス時間幅の増加、
共振器損失の増加、共振器アライメントの不安定化・煩
雑化という問題が生じる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、レー
ザ同位体分離などのレーザ光化学分野に於て要求される
高尖頭値出力を持つ２波長のパルスＣＯ2レーザ光を簡
単な構成により同一のレーザ媒質空間から同一光軸上
に、同時に、且つ長時間安定に得る高い信頼性を持った
ＱスイッチＣＯ2レーザ装置を提供することにある。
ザ同位体分離などのレーザ光化学分野に於て要求される
高尖頭値出力を持つ２波長のパルスＣＯ2レーザ光を簡
単な構成により同一のレーザ媒質空間から同一光軸上
に、同時に、且つ長時間安定に得る高い信頼性を持った
ＱスイッチＣＯ2レーザ装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、Ｑスイッチに
よりパルスＣＯ2レーザ光を発生させるための装置に於
て、単一部分透過出力鏡と互いに直交する回転軸を持つ
２つの回折格子の１次回折光を用いた複合共振器により
偏光方向が互いに直交する第一、第二の波長のレーザ光
を独立に得て、共振器内に置かれた偏光ビームスプリッ
ターにより該２波長レーザ光を合成し、単一レーザ媒質
から２波長パルスレーザ光を同一光軸上に発生させ、２
波長どちらか一方のレーザ共振器内に置かれた該波長に
対する制御可能な損失素子により該波長のレーザ光の発
振タイミングを設定し２波長同時発振を実現し、レーザ
発振動作時に第一、第二の回折格子の０次回折光により
各波長の発振タイミングを常時監視し、同時発振タイミ
ングからの誤差に対応して損失量を動的に制御すること
により長時間安定して２波長同時発振を得るＱスイッチ
ＣＯ2レーザ装置である。
よりパルスＣＯ2レーザ光を発生させるための装置に於
て、単一部分透過出力鏡と互いに直交する回転軸を持つ
２つの回折格子の１次回折光を用いた複合共振器により
偏光方向が互いに直交する第一、第二の波長のレーザ光
を独立に得て、共振器内に置かれた偏光ビームスプリッ
ターにより該２波長レーザ光を合成し、単一レーザ媒質
から２波長パルスレーザ光を同一光軸上に発生させ、２
波長どちらか一方のレーザ共振器内に置かれた該波長に
対する制御可能な損失素子により該波長のレーザ光の発
振タイミングを設定し２波長同時発振を実現し、レーザ
発振動作時に第一、第二の回折格子の０次回折光により
各波長の発振タイミングを常時監視し、同時発振タイミ
ングからの誤差に対応して損失量を動的に制御すること
により長時間安定して２波長同時発振を得るＱスイッチ
ＣＯ2レーザ装置である。
【００１０】
【作用】以下に本発明を詳細に説明する。図２はＣＯ2
レーザのエネルギー準位を説明するためにそのレーザ上
準位と下準位のみについて簡略化して示した摸式図であ
る。ＣＯ2分子は対称伸縮モードn1、屈曲モードn2、非
対称モードn3の３つの振動モードを有し、その振動エネ
ルギー準位は（n1 n2m n3 ）で表される。ＣＯ2レーザ
の代表的な発振波長である10.6μｍ帯、9.6 μｍ帯での
発振は、（0 00 1）準位中の回転準位をレーザ上準位と
し、それぞれ（1 00 0）、（0 20 0）準位中の回転準位
への遷移によりレーザ発振が得られる。各振動準位は多
数の回転準位を持ち多数の発振線が存在するため、回折
格子等の波長選択素子により波長を選んでレーザ発振を
行うことができる。ここで回転準位間の緩和速度は圧力
に比例して大きくなる。従ってＴＥＡレーザのように大
気圧程度のレーザガス圧力で動作するレーザに於ては、
レーザパルスの立ち上がり時間内に緩和が起きるため、
単一波長で発振させる際には効率のよいレーザ発振が得
られるが、同一レーザ媒質から複数の波長の発振を得よ
うとするとそれぞれの回転準位間の緩和により各波長の
遷移間に競合が発生し、安定な多波長発振は得られな
い。一方、本発明で使用するＱスイッチＣＯ2レーザに
於ては発振に用いられるレーザガス圧力は数10torr程度
である。この程度のガス圧力に於てはＱスイッチレーザ
パルス幅（100 〜300ns ）の時間内に回転準位緩和は終
了しないので同一ＣＯ2レーザ媒質から10.6μｍ帯、9.6
μｍ帯の異なる発振波長帯間はもとより、各発振波長
帯中の比較的接近した波長間での２波長同時発振が可能
である。
レーザのエネルギー準位を説明するためにそのレーザ上
準位と下準位のみについて簡略化して示した摸式図であ
る。ＣＯ2分子は対称伸縮モードn1、屈曲モードn2、非
対称モードn3の３つの振動モードを有し、その振動エネ
ルギー準位は（n1 n2m n3 ）で表される。ＣＯ2レーザ
の代表的な発振波長である10.6μｍ帯、9.6 μｍ帯での
発振は、（0 00 1）準位中の回転準位をレーザ上準位と
し、それぞれ（1 00 0）、（0 20 0）準位中の回転準位
への遷移によりレーザ発振が得られる。各振動準位は多
数の回転準位を持ち多数の発振線が存在するため、回折
格子等の波長選択素子により波長を選んでレーザ発振を
行うことができる。ここで回転準位間の緩和速度は圧力
に比例して大きくなる。従ってＴＥＡレーザのように大
気圧程度のレーザガス圧力で動作するレーザに於ては、
レーザパルスの立ち上がり時間内に緩和が起きるため、
単一波長で発振させる際には効率のよいレーザ発振が得
られるが、同一レーザ媒質から複数の波長の発振を得よ
うとするとそれぞれの回転準位間の緩和により各波長の
遷移間に競合が発生し、安定な多波長発振は得られな
い。一方、本発明で使用するＱスイッチＣＯ2レーザに
於ては発振に用いられるレーザガス圧力は数10torr程度
である。この程度のガス圧力に於てはＱスイッチレーザ
パルス幅（100 〜300ns ）の時間内に回転準位緩和は終
了しないので同一ＣＯ2レーザ媒質から10.6μｍ帯、9.6
μｍ帯の異なる発振波長帯間はもとより、各発振波長
帯中の比較的接近した波長間での２波長同時発振が可能
である。
【００１１】図１は本発明の構成図である。レーザ共振
器は部分透過出力鏡２と回折格子４から成る第一の波長
のレーザ光１０を発振する第一共振器、部分透過出力鏡
２、偏光ビームスプリッター６、回折格子５から成る第
二の波長のレーザ光１２を発振する第二共振器から構成
される。
器は部分透過出力鏡２と回折格子４から成る第一の波長
のレーザ光１０を発振する第一共振器、部分透過出力鏡
２、偏光ビームスプリッター６、回折格子５から成る第
二の波長のレーザ光１２を発振する第二共振器から構成
される。
【００１２】まず第一レーザ媒質からの同軸２波長レー
ザ光発振について説明する。回折格子４、５は格子溝に
平行な軸回りに回転することにより波長選択を行い、且
つそれぞれの回転軸は互いに直交する。回折格子は０次
から高次にわたり波長に依存する方向に光を回折する素
子である。本発明では１次回折光の共振によりレーザ発
振を得るものである。また回折格子による回折を利用し
たレーザ共振器から得られるレーザ光は格子溝に垂直な
方向に偏光する。従って回折格子４、５の１次回折光に
より共振するレーザ光１０、１２は互いに直交する直線
偏光になる。ここで図１に於て回折格子４、５はそれぞ
れ紙面に垂直及び平行な回転軸を持ち、よって１０、１
２の偏光方向はそれぞれ紙面に平行（Ｐ波）及び垂直
（Ｓ波）となる。
ザ光発振について説明する。回折格子４、５は格子溝に
平行な軸回りに回転することにより波長選択を行い、且
つそれぞれの回転軸は互いに直交する。回折格子は０次
から高次にわたり波長に依存する方向に光を回折する素
子である。本発明では１次回折光の共振によりレーザ発
振を得るものである。また回折格子による回折を利用し
たレーザ共振器から得られるレーザ光は格子溝に垂直な
方向に偏光する。従って回折格子４、５の１次回折光に
より共振するレーザ光１０、１２は互いに直交する直線
偏光になる。ここで図１に於て回折格子４、５はそれぞ
れ紙面に垂直及び平行な回転軸を持ち、よって１０、１
２の偏光方向はそれぞれ紙面に平行（Ｐ波）及び垂直
（Ｓ波）となる。
【００１３】偏光ビームスプリッター６はある特定波長
の光に対して偏光を利用して光を分離する素子であり、
薄膜偏光子（Thin Film Polarizer 、以下ＴＦＰと呼
ぶ）またグラントンプソン型、ウォラストン型等の偏光
プリズム等が挙げられる。ＣＯ2レーザ用のＴＦＰはZnS
e基盤に薄膜コーティングを施したものである。図３は
波長9.6 μｍ近傍でＰ波に大して高透過率を有し、Ｓ波
に対して高反射率を有するように設計したＣＯ2レーザ
用ＴＦＰのＰ波に対する透過率ＴP ，Ｓ波に対する反射
率ＲSの波長依存性を示すものである。図から明らかな
ように波長が0.4μｍ長波長側へシフトすることにより
ＴP は約５０％に減少するのに対し、ＲSはほぼ一定の
高反射率を有することがわかる。従ってこのＴＦＰ及び
２つの回折格子を用いることによりレーザ光１０を9.5
μｍ近傍で、レーザ光１２を0.4 μｍ程度の範囲内で各
々独立に選択しレーザ発振を得ることが可能であり、ま
たレーザ媒質１内では２波長レーザ光は同一光軸上に合
成されるため単一レーザ媒質より同軸に２波長レーザ光
が得られる。ここでＴP 、ＲS は９８％程度でありレー
ザ光１０、１２の共振器に対してそれぞれ２％程度の損
失を持つことになるが、部分透過出力鏡２の透過率（30
〜70％）に比べ充分小さい損失でありレーザ発振の障害
にはならない。更にＴＦＰにより分離される２波長の光
軸の分離角は、ＴＦＰ基板の屈折率をｎとすると180 °
-2tan-1 （ｎ）であり、ＣＯ2レーザに用いるZnSe基板
の場合、分離角は約５０°となり、またはこの角度は波
長に依存しない。従って光軸を分離するために波長に依
存した回折角を利用する方法に比べ、接近した２波長を
選択する場合でもレーザ共振器を長くし光軸を分離する
必要がなく、装置のコンパクト化が可能である。
の光に対して偏光を利用して光を分離する素子であり、
薄膜偏光子（Thin Film Polarizer 、以下ＴＦＰと呼
ぶ）またグラントンプソン型、ウォラストン型等の偏光
プリズム等が挙げられる。ＣＯ2レーザ用のＴＦＰはZnS
e基盤に薄膜コーティングを施したものである。図３は
波長9.6 μｍ近傍でＰ波に大して高透過率を有し、Ｓ波
に対して高反射率を有するように設計したＣＯ2レーザ
用ＴＦＰのＰ波に対する透過率ＴP ，Ｓ波に対する反射
率ＲSの波長依存性を示すものである。図から明らかな
ように波長が0.4μｍ長波長側へシフトすることにより
ＴP は約５０％に減少するのに対し、ＲSはほぼ一定の
高反射率を有することがわかる。従ってこのＴＦＰ及び
２つの回折格子を用いることによりレーザ光１０を9.5
μｍ近傍で、レーザ光１２を0.4 μｍ程度の範囲内で各
々独立に選択しレーザ発振を得ることが可能であり、ま
たレーザ媒質１内では２波長レーザ光は同一光軸上に合
成されるため単一レーザ媒質より同軸に２波長レーザ光
が得られる。ここでＴP 、ＲS は９８％程度でありレー
ザ光１０、１２の共振器に対してそれぞれ２％程度の損
失を持つことになるが、部分透過出力鏡２の透過率（30
〜70％）に比べ充分小さい損失でありレーザ発振の障害
にはならない。更にＴＦＰにより分離される２波長の光
軸の分離角は、ＴＦＰ基板の屈折率をｎとすると180 °
-2tan-1 （ｎ）であり、ＣＯ2レーザに用いるZnSe基板
の場合、分離角は約５０°となり、またはこの角度は波
長に依存しない。従って光軸を分離するために波長に依
存した回折角を利用する方法に比べ、接近した２波長を
選択する場合でもレーザ共振器を長くし光軸を分離する
必要がなく、装置のコンパクト化が可能である。
【００１４】次に２波長レーザ光の同時発振について図
４を用いて説明する。２波長発振レーザに於て一般には
各波長のレーザ利得係数は均一ではなく、例えばＣＯ2
レーザの9.6 μｍ帯の発振波長群の場合9.55μｍ（9p(2
0)) 近傍が最も利得係数が高くこれより長いかまたは短
い波長に行くにしたがい利得係数は減少する。２波長発
振ＱスイッチＣＯ2レーザでは図４（Ａ）に示すように
利得係数（Ｇ１）が大きい波長に対してＱスイッチング
時から発振開始までの遅延時間は短く、利得係数（Ｇ
２）の小さい波長に対しては長くなり、２波長の同時発
振は得られない。そこで図４（Ｂ）に示すように利得係
数の大きい発振波長に対して損失係数Ｌを与える損失素
子を付加し、利得係数を等価にすることにより２波長同
時発振を得ることが可能である。本発明によれば図１に
示すように各波長の光軸はレーザ共振器内のレーザ媒質
空間以外では偏光ビームスプリッター６により分離され
るため、第二共振器に影響を及ぼすことなく容易に第一
共振器に損失Ｌを与える可変損失素子７を付加すること
が可能であり２波長レーザ光の同時発振が得られる。
４を用いて説明する。２波長発振レーザに於て一般には
各波長のレーザ利得係数は均一ではなく、例えばＣＯ2
レーザの9.6 μｍ帯の発振波長群の場合9.55μｍ（9p(2
0)) 近傍が最も利得係数が高くこれより長いかまたは短
い波長に行くにしたがい利得係数は減少する。２波長発
振ＱスイッチＣＯ2レーザでは図４（Ａ）に示すように
利得係数（Ｇ１）が大きい波長に対してＱスイッチング
時から発振開始までの遅延時間は短く、利得係数（Ｇ
２）の小さい波長に対しては長くなり、２波長の同時発
振は得られない。そこで図４（Ｂ）に示すように利得係
数の大きい発振波長に対して損失係数Ｌを与える損失素
子を付加し、利得係数を等価にすることにより２波長同
時発振を得ることが可能である。本発明によれば図１に
示すように各波長の光軸はレーザ共振器内のレーザ媒質
空間以外では偏光ビームスプリッター６により分離され
るため、第二共振器に影響を及ぼすことなく容易に第一
共振器に損失Ｌを与える可変損失素子７を付加すること
が可能であり２波長レーザ光の同時発振が得られる。
【００１５】また長時間のレーザ動作に於ては放電励起
密度の微少な変化等に起因する利得係数の変動により遅
延時間は随時変化するため、安定に２波長同時発振を得
るには各波長の発振遅延時間を常時監視し、遅延時間変
化に対応して損失量を動的に制御する必要がある。本発
明によれば回折格子４、５からの０次回折光１３の強度
をCdHgTe等の光検出素子９を用いて検出すれば、レーザ
共振に影響を及ぼすことなく遅延時間の変化を監視する
ことが可能である。従ってデジタルオシロスコープ等の
波形解折装置８を用いて遅延時間を監視し、２波長同時
発振時の設定遅延時間からの誤差に対応して損失量制御
装置１４により可変損失素子７の損失量を随時制御し、
常に安定した２波長同時発振が可能である。損失量の制
御は特定波長の光に対して過飽和吸収を示すガスの圧力
制御により行うことが可能である。例えば波長9.6μｍ
帯のレーザ光に対してはフレオン２１（CFCl2H) が適当
である。
密度の微少な変化等に起因する利得係数の変動により遅
延時間は随時変化するため、安定に２波長同時発振を得
るには各波長の発振遅延時間を常時監視し、遅延時間変
化に対応して損失量を動的に制御する必要がある。本発
明によれば回折格子４、５からの０次回折光１３の強度
をCdHgTe等の光検出素子９を用いて検出すれば、レーザ
共振に影響を及ぼすことなく遅延時間の変化を監視する
ことが可能である。従ってデジタルオシロスコープ等の
波形解折装置８を用いて遅延時間を監視し、２波長同時
発振時の設定遅延時間からの誤差に対応して損失量制御
装置１４により可変損失素子７の損失量を随時制御し、
常に安定した２波長同時発振が可能である。損失量の制
御は特定波長の光に対して過飽和吸収を示すガスの圧力
制御により行うことが可能である。例えば波長9.6μｍ
帯のレーザ光に対してはフレオン２１（CFCl2H) が適当
である。
【００１６】なおここではＣＯ2レーザの9.6 μｍ近傍
での２波長同時発振について説明したがＴＦＰのコーテ
ィングが可能な範囲でほかのＣＯ2レーザ波長域での波
長選択が可能であることは言うまでもない。損失制御方
法としては過飽和吸収ガスの圧力制御を挙げたが本発明
の目的には、使用するＣＯ2レーザ波長に対して損失量
が制御可能な素子であれば良いことから、NaClプレート
等のレーザ光透過材の回転による透過率の制御、ファブ
リーペローエタロンまたは絞り等の損失素子であっても
よい。またＱスイッチＣＯ2レーザに於て高速スイッチ
ング、高耐久性、及び共振器アライメントの長時間安定
性の確保の観点からＱスイッチ装置としては回転チョッ
パーが最も好ましいが、CdTe等の電気光学効果を利用し
た素子、回転鏡等のいずれであってもよい。
での２波長同時発振について説明したがＴＦＰのコーテ
ィングが可能な範囲でほかのＣＯ2レーザ波長域での波
長選択が可能であることは言うまでもない。損失制御方
法としては過飽和吸収ガスの圧力制御を挙げたが本発明
の目的には、使用するＣＯ2レーザ波長に対して損失量
が制御可能な素子であれば良いことから、NaClプレート
等のレーザ光透過材の回転による透過率の制御、ファブ
リーペローエタロンまたは絞り等の損失素子であっても
よい。またＱスイッチＣＯ2レーザに於て高速スイッチ
ング、高耐久性、及び共振器アライメントの長時間安定
性の確保の観点からＱスイッチ装置としては回転チョッ
パーが最も好ましいが、CdTe等の電気光学効果を利用し
た素子、回転鏡等のいずれであってもよい。
【００１７】更に上記説明では２波長レーザ光を同時に
発振する場合について述べたが、本発明によれば損失制
御による発振タイミングの設定は自由に行えることから
任意に２波長レーザパルス間の時間間隔を設定し、安定
動作することも可能であることは言うまでもない。
発振する場合について述べたが、本発明によれば損失制
御による発振タイミングの設定は自由に行えることから
任意に２波長レーザパルス間の時間間隔を設定し、安定
動作することも可能であることは言うまでもない。
【００１８】
【実施例】図１は本発明に係る２波長同時発振Ｑスイッ
チＣＯ2レーザ装置の一実施例である。部分透過出力鏡
２、回折格子４から成る第一共振器は波長9.55μｍ（9P
(20))のレーザ光１０がＰ偏光発振するように、また部
分透過出力鏡２、偏光ビームスプリッター６、回折格子
５から成る第二共振器は波長9.62μｍ（9P(28)) のレー
ザ光１２がＳ偏光発振するようにそれぞれ調整され、共
振器長はそれぞれ１５０ｃｍである。また発振タイミン
グを同時にするため利得係数の大きいレーザ光１０を発
振する第一共振器内には可変損失制御素子７として圧力
制御可能な過飽和吸収ガスフレオン２１が封入された容
器が置かれている。回折格子４、５は１５０本／ｍｍで
ブレーズされており、また波長選択のための回転軸は互
いに直交している。また偏光ビームスプリッター６とし
てのＴＦＰは波長9.55μｍに於てＰ波に対する透過率Ｔ
P は９８．０％、Ｓ波に対する反射率ＲS は９８．５％
である。ここでＲS に関しては0.4 μｍ程度波長がシフ
トしてもほぼ同じ値を有することから、波長9.62μｍに
於ても９８．５％の高反射率を有する。部分透過出力鏡
２は曲率半径１０ｍの凹面鏡であり、その透過率は各波
長に於て３０％である。
チＣＯ2レーザ装置の一実施例である。部分透過出力鏡
２、回折格子４から成る第一共振器は波長9.55μｍ（9P
(20))のレーザ光１０がＰ偏光発振するように、また部
分透過出力鏡２、偏光ビームスプリッター６、回折格子
５から成る第二共振器は波長9.62μｍ（9P(28)) のレー
ザ光１２がＳ偏光発振するようにそれぞれ調整され、共
振器長はそれぞれ１５０ｃｍである。また発振タイミン
グを同時にするため利得係数の大きいレーザ光１０を発
振する第一共振器内には可変損失制御素子７として圧力
制御可能な過飽和吸収ガスフレオン２１が封入された容
器が置かれている。回折格子４、５は１５０本／ｍｍで
ブレーズされており、また波長選択のための回転軸は互
いに直交している。また偏光ビームスプリッター６とし
てのＴＦＰは波長9.55μｍに於てＰ波に対する透過率Ｔ
P は９８．０％、Ｓ波に対する反射率ＲS は９８．５％
である。ここでＲS に関しては0.4 μｍ程度波長がシフ
トしてもほぼ同じ値を有することから、波長9.62μｍに
於ても９８．５％の高反射率を有する。部分透過出力鏡
２は曲率半径１０ｍの凹面鏡であり、その透過率は各波
長に於て３０％である。
【００１９】レーザ媒質１はガラスチューブにＣＯ2：
Ｎ2：Ｈｅの混合レーザガスを全圧90torrで封入したも
のであり、レーザ媒質長は５０ｃｍである。レーザガス
は図示されていないルーツブローワーにより２００ｍ／
ｓの線速度でレーザ光軸方向に高速循環されている。ま
たレーザ媒質と外気とは発振波長に対して無反射コーテ
ィングされたZnSe窓により遮断されている。励起方式と
して高周波放電を使用し且つＱスイッチのタイミングに
同期してパルス変調を行っている。パルスの最大繰り返
し周波数は10kHz である。
Ｎ2：Ｈｅの混合レーザガスを全圧90torrで封入したも
のであり、レーザ媒質長は５０ｃｍである。レーザガス
は図示されていないルーツブローワーにより２００ｍ／
ｓの線速度でレーザ光軸方向に高速循環されている。ま
たレーザ媒質と外気とは発振波長に対して無反射コーテ
ィングされたZnSe窓により遮断されている。励起方式と
して高周波放電を使用し且つＱスイッチのタイミングに
同期してパルス変調を行っている。パルスの最大繰り返
し周波数は10kHz である。
【００２０】Ｑスイッチ装置３は回転チョッパーであ
る。回転チョッパーはアルミ円盤の周上に幅２ｍｍのス
リットを１２個有し、最大回転速度70,000rpm で高速回
転するものである。また高速Ｑスイッチングを行うため
に共焦点テレスコープ１６を設けその焦点位置でレーザ
光のチョッピングをすることでＱスイッチングを行って
いる。
る。回転チョッパーはアルミ円盤の周上に幅２ｍｍのス
リットを１２個有し、最大回転速度70,000rpm で高速回
転するものである。また高速Ｑスイッチングを行うため
に共焦点テレスコープ１６を設けその焦点位置でレーザ
光のチョッピングをすることでＱスイッチングを行って
いる。
【００２１】各波長のパルス時間波形は光検出素子９と
してCdHgTeを用いて０次回折光１１、１３を検出し、回
転チョッパーからのモニター信号を掃引トリガーとする
デジタルオシロスコープ８で観測されている。損失量制
御装置１４はデジタルオシロスコープの信号を基にＱス
イッチングから発振開始まで遅延時間を検出し、レーザ
光１２の発振開始にレーザ光が同時に発振するように可
変損失素子を制御するものである。可変損失素子７とし
ての過飽和吸収ガスフレオン２１は波長9.6 μｍ帯の光
に対して無反射コーティングされたZnSe窓を有するガラ
ス容器（容器長５ｍｍ）に圧力10〜30torrで封入されて
いる。また損失制御装置１４からの電気信号で制御され
る圧力調整バルブ１５によりガスの圧力は0.1torr の精
度で制御される。
してCdHgTeを用いて０次回折光１１、１３を検出し、回
転チョッパーからのモニター信号を掃引トリガーとする
デジタルオシロスコープ８で観測されている。損失量制
御装置１４はデジタルオシロスコープの信号を基にＱス
イッチングから発振開始まで遅延時間を検出し、レーザ
光１２の発振開始にレーザ光が同時に発振するように可
変損失素子を制御するものである。可変損失素子７とし
ての過飽和吸収ガスフレオン２１は波長9.6 μｍ帯の光
に対して無反射コーティングされたZnSe窓を有するガラ
ス容器（容器長５ｍｍ）に圧力10〜30torrで封入されて
いる。また損失制御装置１４からの電気信号で制御され
る圧力調整バルブ１５によりガスの圧力は0.1torr の精
度で制御される。
【００２２】以上の装置を用いて波長9.55μｍ、9.62μ
ｍの２波長レーザ光同時発振を行ったところ、全エネル
ギー30mJ、それぞれパルス時間値幅200nsの２波長レー
ザ光が８時間以上安定に得られた。
ｍの２波長レーザ光同時発振を行ったところ、全エネル
ギー30mJ、それぞれパルス時間値幅200nsの２波長レー
ザ光が８時間以上安定に得られた。
【００２３】
【発明の効果】以上説明したように本発明によればＱス
イッチＣＯ2レーザに於て、コンパクトな装置構成のも
とに、単一レーザ媒質から同一光軸上に各々独立に波長
可変な２波長レーザ光を同時に長時間安定して得るとい
う利点を有する。
イッチＣＯ2レーザに於て、コンパクトな装置構成のも
とに、単一レーザ媒質から同一光軸上に各々独立に波長
可変な２波長レーザ光を同時に長時間安定して得るとい
う利点を有する。
【図１】本発明を示す構成図である。
【図２】ＣＯ2レーザのエネルギー準位の模式図であ
る。
る。
【図３】波長9.6 μｍ帯用ＴＦＰのＰ波、Ｓ波に対する
透過率ＴP 、反射率ＲS の波長依存性である。
透過率ＴP 、反射率ＲS の波長依存性である。
【図４】２波長発振タイミングの説明図である。
１ ＣＯ2レーザ媒質 ２ レーザ共振器の部分透過出力鏡 ３ Ｑスイッチ装置 ４、５ 回折格子 ６ 偏光ビームスプリッター（ＴＦＰ） ７ 可変損失素子 ８ レーザパルス波形解析装置 ９ 光検出素子 １０ １次回折光により共振する第一の波長のレーザ光
（Ｐ偏光） １１ 第一の波長のレーザ光の０次回折光 １２ １次回折光により共振する第二の波長のレーザ光
（Ｓ偏光） １３ 第二の波長のレーザ光の０次回折光 １４ 損失量制御装置 １５ 圧力制御バルブ １６ テレスコープ
（Ｐ偏光） １１ 第一の波長のレーザ光の０次回折光 １２ １次回折光により共振する第二の波長のレーザ光
（Ｓ偏光） １３ 第二の波長のレーザ光の０次回折光 １４ 損失量制御装置 １５ 圧力制御バルブ １６ テレスコープ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01S 3/11 - 3/127
Claims (2)
- 【請求項１】 Ｑスイッチによりパルスレーザ光を取り
出すＣＯ2レーザ装置に於て、部分透過出力鏡と第一の
回折格子から成る第一の波長で発振する第一レーザ共振
器と、第一レーザ共振器の出力鏡と第一の回折格子の回
転軸と直交する回転軸を持つ第二の回折格子から成る第
二の波長で発振する第二レーザ共振器と、第一、第二ど
ちらか一方のレーザ共振器内に設けた該波長に於けるレ
ーザ遷移に対して損失を与え、且つ損失量が制御可能で
ある損失制御素子と、第一、第二の波長のレーザ光を同
軸に合成する偏光ビームスプリッターと、第一、第二の
波長のレーザ光が同軸に合成されているレーザ共振器内
の任意の場所に置かれた一つのＱスイッチ装置で構成さ
れ、前記損失制御素子によって、Ｑスイッチ解放時から
第一、第二の波長各々のレーザ発振開始迄の遅延時間を
同じ値に設定することにより、単一励起空間から同時に
２波長レーザ光を同軸状に得ることを特徴とする２波長
発振ＱスイッチＣＯ2レーザ装置。 - 【請求項２】 第一、第二レーザ共振器に於て、回折格
子の１次回折光によりレーザ発振を行い、０次回折光に
よりＱスイッチ解放時から各々のレーザ発振開始迄の遅
延時間を各々独立の光検出素子により常時検出し、２波
長同時発振を得るための遅延時間設定値からの誤差に対
応して請求項１記載の損失制御素子の損失量を随時変化
させることにより、常に２波長レーザ光を同時に得るこ
とを特徴とする請求項１記載の２波長発振ＱスイッチＣ
Ｏ 2 レーザ装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3163460A JP2951050B2 (ja) | 1991-06-10 | 1991-06-10 | ２波長発振ｑスイッチｃｏ２レ−ザ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3163460A JP2951050B2 (ja) | 1991-06-10 | 1991-06-10 | ２波長発振ｑスイッチｃｏ２レ−ザ装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04361582A JPH04361582A (ja) | 1992-12-15 |
| JP2951050B2 true JP2951050B2 (ja) | 1999-09-20 |
Family
ID=15774305
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3163460A Expired - Lifetime JP2951050B2 (ja) | 1991-06-10 | 1991-06-10 | ２波長発振ｑスイッチｃｏ２レ−ザ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2951050B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7843976B2 (en) * | 2005-01-24 | 2010-11-30 | Thorlabs, Inc. | Compact multimode laser with rapid wavelength scanning |
| JP5120712B2 (ja) * | 2008-07-03 | 2013-01-16 | 澁谷工業株式会社 | Ｑスイッチレーザ発振器 |
-
1991
- 1991-06-10 JP JP3163460A patent/JP2951050B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04361582A (ja) | 1992-12-15 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 19990629 |