JP4560317B2 - ファラデー旋光子 - Google Patents

Description

この発明は、ファラデー旋光子に関する。

ファラデー旋光子（Faraday Rotator）は、ファラデー効果を利用して直線偏光の偏光面を回転させる光学素子である。下記の非特許文献１には、磁気光学材料から構成される光学媒質（いわゆる、ファラデー媒質）とそれを覆う永久磁石からなるファラデー旋光子が開示されている（非特許文献１を参照）。ファラデー旋光子は、多重パス増幅方式の固体レーザシステムで使用されることがある。
栖原敏明、「光波光学」、コロナ社、１９９８年、２２３頁

励起用ＬＤの進歩や、レーザ媒質の熱効果を制御する技術の発達により、ＬＤ励起固体レーザの平均出力の向上が進められている。実際、１ｋＷ級の平均出力や１０ｋＷ級のＣＷ出力の達成が報告されている。しかし、高い平均出力のもとでは、レーザシステムを構成する光学素子がレーザ光を吸収することにより内部発熱を起こす。このため、熱による線膨張、屈折率の温度依存性に応じた屈折率分布などに起因して発生する熱効果が問題になる。

熱効果には、熱レンズ効果、熱複屈折効果、熱変形および熱応力破壊がある。熱レンズ効果は、光学素子に含まれる光学媒質内に生じる温度分布と屈折率の温度依存性とに基づいて光学媒質内の屈折率が空間分布を持つために発生する。熱複屈折効果は、熱応力により光学媒質が光学的異方性（複屈折性）を持つ現象である。媒質中に光学的異方性（複屈折性）が生じると、媒質の主軸方向とこれに直交する方向の屈折率が異なるようになり、そのため、媒質内を進行する光の位相速度が進行方向に応じて異なってしまう。この結果、直交する方向に進行する二つの光の相対位相差が原因となって偏光が解消されてしまう。これは直線偏光の偏光面の回転を利用する多重パス増幅方式のレーザシステムでは、出力の損失をもたらす。熱変形は、光学媒質の熱膨張が原因となって光学媒質が変形する現象である。熱応力破壊は、温度勾配をもつ光学媒質の熱膨張が原因となって熱応力が生じ、その熱応力によって光学媒質が破壊されてしまう現象である。

多重パス増幅方式のレーザシステムで使用されるファラデー旋光子は、通常、レーザシステム中の他の光学素子に比較して高い吸収係数（１０^−３／ｃｍ）および線膨張係数を有し、さらに屈折率の温度依存性を有する光学媒質を含んでいる。したがって、ファラデー旋光子は熱効果の影響を受けやすい。ファラデー旋光子は、光学媒質に磁界を印加するとそこを通過する光の偏光面が回転するというファラデー効果を利用する偏光回転素子である。ファラデー旋光子は、高利得増幅器間のアイソレータとして、あるいは、光路を逆行しようとする光の遮断や多重パス増幅における偏光制御などの用途に使用される。ファラデー旋光子に熱効果が発生すると、本来得るべき旋光角を得ることができなくなり、レーザシステムの効率の低下を招くばかりでなく、安定したレーザ動作そのものの妨げにもなる。

そこで、本発明は、熱効果の低減が可能なファラデー旋光子を提供することを課題とする。

本発明のファラデー旋光子は、第１〜第ｎ（ｎは２以上の整数）の光学媒質と、第１〜第ｎの光学媒質に磁界を印加する永久磁石と、第１〜第ｎの光学媒質の間に配置された石英旋光子と、を備え、ｎは偶数２ｍ（ｍは自然数）であり、第１〜第ｎの光学媒質は、連続して並んだ第１〜第ｍの光学媒質と、連続して並んだ第（ｍ＋１）〜第２ｍの光学媒質から構成されており、石英旋光子は、第ｍおよび第（ｍ＋１）の光学媒質の間において光軸と同軸に配置されており、第１〜第ｍの光学媒質の全体の旋光角が２２．５度、第（ｍ＋１）〜第２ｍの光学媒質の全体の旋光角が２２．５度、及び、石英旋光子の旋光角が６７．５度と設定されることにより、第１〜第ｍの光学媒質と第（ｍ＋１）〜第２ｍの光学媒質とが互いに熱複屈折効果を補償し合うように構成されている。第１〜第ｎの光学媒質は、磁気光学材料から構成され、共通の光軸を有しており、互いに離間している。第１〜第ｎの光学媒質および永久磁石はハウジングに収容されていてもよい。

一般に、光学媒質の旋光角は、光学媒質の長さが増すにつれて大きくなる。本発明のファラデー旋光子の旋光角は、個々の光学媒質の旋光角の合計である。このため、単一の光学媒質を用いるファラデー旋光子に比べて、同じ旋光角を得るために必要な個々の光学媒質の長さを短くし、それに応じて個々の光学媒質の体積を低減できる。光が光学媒質を透過するときに光学媒質の内部に蓄積される熱量は、光学媒質の体積に伴って減少する。また、単一の光学媒質を用いるファラデー旋光子に比べて、光学媒質の全表面積が増加するので、放熱作用が高まる。この結果、光学媒質の内部発熱に起因する熱効果が低減される。ファラデー旋光子内を伝搬する直線偏光の偏光面が石英旋光子によって適切な角度だけ回転されると、第１〜第ｍの光学媒質からなる媒質群と、第（ｍ＋１）〜第２ｍの光学媒質からなる媒質群とが、互いの熱複屈折効果を補償し合うようになる。これにより、熱複屈折効果がさらに低減される。

本発明のファラデー旋光子は旋光角θを有していてもよい。第１〜第ｎの光学媒質は、実質的に同一のベルデ定数Ｖを有していてもよい。永久磁石が第１〜第ｎの光学媒質にそれぞれ印加する磁界は、実質的に同一の静磁束密度Ｈを有していてもよい。第１〜第ｎの光学媒質は、以下の式

を満たす長さＬ_１〜Ｌ_ｎを光軸に沿ってそれぞれ有していてもよい。

ベルデ定数Ｖを有する単一の光学媒質に静磁束密度Ｈの磁界を印加するファラデー旋光子では、その光学媒質の光軸に沿った長さＬはθ／ＶＨに等しい。上記の式から明らかなように、第１〜第ｎの光学媒質の長さＬ_１〜Ｌ_ｎはこのＬよりも短い。したがって、各光学媒質の内部発熱が抑えられるとともに放熱作用が高まり、その結果、熱効果が低減される。

第１〜第ｎの光学媒質は、光軸の周りに対称な形状を有していてもよい。永久磁石は、互いに離間した複数の単位永久磁石を含んでいてもよい。これらの単位永久磁石は、第１〜第ｎの光学媒質の光軸の周りに対称な筒状体であってもよい。これらの単位永久磁石は、第１〜第ｎの光学媒質のうち互いに異なる一つ以上の光学媒質を同軸に包囲していてもよい。ファラデー旋光子は、第１〜第ｎの光学媒質および複数の単位永久磁石を収容するハウジングを更に備えていてもよい。各光学媒質には、その光学媒質を包囲する単位永久磁石から磁界が印加される。このため、光学媒質に印加する磁界を単位永久磁石ごとに定めることができる。この結果、ファラデー旋光子の設計の自由度が高まる。

ファラデー旋光子は、第１〜第ｎの光学媒質を冷却する冷媒用の流路をさらに備えていてもよい。この流路に冷媒を流せば、第１〜第ｎの光学媒質が冷却される。その結果、熱効果がさらに低減される。

第１〜第ｎの光学媒質は、実質的に同一の屈折率を有し、かつ、その光軸と交差する端面を有していてもよい。ファラデー旋光子は、向かい合うこれらの端面の間に配置された屈折率整合材をさらに備えていてもよい。屈折率整合材によって光学媒質の端面における光反射が抑えられる。これに応じて、ファラデー旋光子の光損失が低減される。

屈折率整合材は液体であってもよい。ファラデー旋光子は、屈折率整合材用の流入口および流出口、ならびに流入口および流出口間に延在する流路をさらに備えていてもよい。充分に低温の屈折率整合材を流路に流せば、第１〜第ｎの光学媒質が冷却される。その結果、熱効果がさらに低減される。

ファラデー旋光子は、第１〜第ｎの光学媒質および永久磁石を収容するとともに屈折率整合材を封入するハウジングをさらに備えていてもよい。ハウジングによって屈折率整合材の漏出が防止される。

第１〜第ｎの光学媒質は、その光軸と交差する端面を有していてもよい。向かい合うこれらの端面間の間隙は真空であってもよい。真空によって断熱効果が高まり、光学媒質内で発した熱の散逸が防がれる。これにより光学媒質内の温度分布が均一になるので、熱効果、特に熱レンズ効果が低減される。

本発明のファラデー旋光子は、離間した複数の光学媒質を有するため、各光学媒質に蓄積されうる熱量を削減でき、それに応じて熱効果を低減することができる。したがって、本発明のファラデー旋光子は、平均出力の高いレーザシステムで好適に使用することができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）図１は、本実施形態のファラデー旋光子を示す斜視図である。図２（ａ）および（ｂ）は、このファラデー旋光子の正面図および縦断面図である。ファラデー旋光子１０は、ファラデー効果を利用して直線偏光の偏光面を旋光角θだけ回転させる光学素子である。本実施形態では、ファラデー旋光子１０の旋光角θは４５°である。

ファラデー旋光子１０は、４個の光学媒質１１〜１４を内蔵している。これらの光学媒質の各々は、磁気光学材料から構成されたディスク、すなわち円形の平面形状を有する平行平板である。本実施形態では、光学媒質１１〜１４は同じ磁気光学材料から構成されており、同じ寸法形状および屈折率を有している。磁気光学材料の例としては、ＴＧＧ結晶、ＴＧＧセラミック、ファラデーガラスなどが挙げられる。一般に、光学媒質は、その組成に応じたベルデ定数を有する。本実施形態では、光学媒質１１〜１４は実質的に同一のベルデ定数を有している。さらに、光学媒質１１〜１４は共通の光軸３０を有している。光学媒質１１〜１４は、光軸３０の周りに対称な形状を有している。光学媒質１１〜１４は、光軸３０に沿って互いに離間させて配置されている。光学媒質１１〜１４の側面は光軸３０に平行であり、端面は光軸３０と直交する。

図３（ｂ）に示されるように、光学媒質１１〜１４の各々の周縁部には、円環状のホルダ３１〜３４が取り付けられている。各ホルダの内周面には溝が設けられており、その溝に光学媒質の周縁部が収容および固定されている。本実施形態では、光学媒質１１〜１４は、接着剤７２を用いてホルダ３１〜３４に接着されている。

光学媒質１１〜１４およびホルダ３１〜３４は、円筒形の内側ハウジング２０に収容されている。内側ハウジング２０は、光学媒質１１〜１４と同軸に配置されている。すなわち、内側ハウジング２０の中心軸は光軸３０と合致する。内側ハウジング２０の内周面はホルダ３１〜３４の外周面を覆う。ホルダ３１〜３４は、内側ハウジング２０に接着されていてもよいし、ネジ部品などの固定部品を用いて内側ハウジング２０に固定されていてもよい。

内側ハウジング２０の外周面には、円筒形の永久磁石２２が取り付けられている。永久磁石２２は光学媒質１１〜１４と同軸に配置されており、その中心軸は光軸３０に合わせられている。永久磁石２２は、その中心軸（または光軸３０）のまわりに対称な形状を有している。永久磁石２２は、その中心軸に平行な磁界をその内部に形成する。この磁界は、永久磁石２２の内部でほぼ一様な静磁束密度を有している。この磁界が光学媒質１１〜１４に印加され、ファラデー効果が引き起こされる。永久磁石２２としては、希土類磁石や超伝導マグネットなどを使用することができる。永久磁石２２の内周面は、内側ハウジング２０の外周面を覆う。永久磁石２２は、内側ハウジング２０に接着されていてもよいし、ネジ部品などの固定部品を用いて内側ハウジング２０に固定されていてもよい。

永久磁石２２の外周面は、円筒形の外側ハウジング２４によって覆われている。外側ハウジング２４は、内側ハウジング２０および永久磁石２２と同軸に配置されており、その中心軸は光軸３０に合わせられている。外側ハウジング２４は、永久磁石２２に接着されていてもよいし、ネジ部品などの固定部品を用いて永久磁石２２に固定されていてもよい。

ファラデー旋光子１０の一端に位置するホルダ３１は、外部に露出する端面３１ａを有している。この端面３１ａには流入口２６が取り付けられている。同様に、ファラデー旋光子１０の他端に位置するホルダ３４の外部に露出する端面３４ａには流出口２８が取り付けられている。流入口２６は、外部からファラデー旋光子１０内に流体を受け入れるための管であり、流出口２８は、ファラデー旋光子１０内から外部に流体を排出するための管である。ホルダ３１〜３４の各々には、光軸３０に沿って延びる貫通孔４１〜４４が設けられている。流入口２６は、端面３１ａに設けられた開口を通じてホルダ３１の貫通孔４１に連通している。流出口２８は、端面３４ａに設けられた開口を通じてホルダ３４の貫通孔４４に連通している。

本実施形態では、流入口２６および貫通穴４１〜４４を通じてファラデー旋光子１０内にインデックスマッチング液４６が供給される。この結果、図３（ｂ）に示されるように、光学媒質１１〜１４の向かい合う端面間の間隙４５がインデックスマッチング液４６によって満たされる。貫通孔４１〜４４および間隙４５は、流入口２６および流出口２８間に延びるインデックスマッチング液４６用の流路４７を成している。インデックスマッチング液４６は、光学媒質１１〜１４の屈折率に充分に近い屈折率を有しており、隣り合う光学媒質１１〜１４間で屈折率の整合を達成する。インデックスマッチング液４６としては、水（Ｈ_２Ｏ）、フルオロカーボン、重水素デカリンなどを使用することができる。

インデックスマッチング液４６は、光学媒質１１〜１４を冷却する冷媒としても機能する。インデックスマッチング液４６は、流入口２６からファラデー旋光子１０に流入し、流路４７を流れ、流出口２８から排出される。流入口２６および流出口２８は図示しないチラー装置に接続されており、インデックスマッチング液４６はそのチラー装置からファラデー旋光子１０に供給される。ファラデー旋光子１０とチラー装置の間をインデックスマッチング液４６が循環することより、光学媒質１１〜１４が冷却される。流入口２６、流出口２８、貫通孔４１および流路４４はＯリングを用いてシールされており、これにより、インデックスマッチング液４６の外部への漏出が防止されている。

直線偏光が光軸３０に沿ってファラデー旋光子１０に入射すると、光学媒質１１〜１４を順次に透過する。このとき、直線偏光の偏光面は、光学媒質１１〜１４によって順次に回転させられる。各光学媒質での回転角θ_１〜θ_４は、それぞれＶ_１Ｈ_１Ｌ_１、Ｖ_２Ｈ_２Ｌ_２、Ｖ_３Ｈ_３Ｌ_３およびＶ_４Ｈ_４Ｌ_４のように表される。ここで、Ｖ_１〜Ｖ_４およびＬ_１〜Ｌ_ｎは、それぞれ光学媒質１１〜１４のベルデ定数および光軸３０に沿った長さであり、Ｈ_１〜Ｈ_４は、永久磁石２２が光学媒質１１〜１４にそれぞれ印加する磁界の静磁束密度である。各光学媒質は同じ方向に偏光面を回転させるので、ファラデー旋光子１０の旋光角θは（θ_１＋θ_２＋θ_３＋θ_４）に等しい。より一般的には、ファラデー旋光子１０の旋光角θは、

のように表される。ここで、ｉは１〜ｎの整数であり、ｎは光学媒質の個数（本実施形態では４）である。

本実施形態では、永久磁石２２は、ほぼ一様な静磁束密度を有する磁界を内部に形成している。また、光学媒質１１〜１４は実質的に同一のベルデ定数を有している。したがって、以下ではＨ_ｉをＨ、Ｖ_ｉをＶと表記する。（１）式を書き改めると、

のようになる。

ファラデー旋光子１０は、レーザシステムに使用することができる。図３は、ファラデー旋光子１０を有する多重パス増幅方式のＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）レーザシステムの構成を示している。

マスター発振器１１１から発した被増幅レーザ光は、ファラデーアイソレータ１１２を通過してビーム整形器１１３に入射する。ファラデーアイソレータ１１２は、レーザ光のマスター発振器１１１への逆行とそれによるマスター発振器１１１の損傷を防止する。ビーム整形器１１３はレーザ光を整形して前置増幅器１１４に送る。前置増幅器１１４によって増幅されたレーザ光は、ミラー１１５および１１６によってビーム整形器１１７に向けて反射される。レーザ光はビーム整形器１１７によって整形された後、像転送器１１８に入射する。像転送（イメージリレー）器１１８は、レーザ光のビームパターンを光学像として転送する。レーザ光は、ミラー１１９および１２０によって反射され、ポラライザ１２１に向かう。ポラライザ１２１は、レーザ光を直線偏光に変換する。この後、レーザ光は、ファラデーアイソレータ１２２を通過し、ミラー１２３によって反射されて主増幅器１２４に入射する。

主増幅器１２３は、固体レーザ媒質１２５と、固体レーザ媒質１２５を挟むように配置された一対の励起光源１２６を有する。固体レーザ媒質１２５は、励起光の照射に応じて反転分布を形成し、特定の波長の光を誘導放出することができる。各励起光源１２６は、励起光を生成して固体レーザ媒質１２５に照射し、固体レーザ媒質１２５を励起する。マスター発振器１１１から発するレーザ光は、固体レーザ媒質１２５が誘導放出可能な波長を有している。この例では、固体レーザ媒質１２５は、長尺のスラブ形状を有するＮｄ添加ガラスである。

レーザ光は、固体レーザ媒質１２５の一方の端面に対して斜めに入射し、固体レーザ媒質１２５の両側面で繰り返し反射されながらジグザグ光路上を進行する。レーザ光がジグザグ光路に沿って伝搬する間、誘導放出が生じ、レーザ光が増幅される。レーザ光は、固体レーザ媒質１２５の他方の端面から出射し、ミラー１２７および１２８によって反射され、再び固体レーザ媒質１２５に入射する。レーザ光は再び増幅された後、固体レーザ媒質１２５を出射し、ミラー１２９へ向かう。レーザ光は、ミラー１２９によって反射され、像転送器１３０を通過した後、上述したファラデー旋光子１０に入射する。

ファラデー旋光子１０は、レーザ光の偏光面を所定の回転方向に４５°回転させる。ファラデー旋光子１０から出射したレーザ光は、ミラー１３２によって反射され、再びファラデー旋光子１０に入射する。ファラデー旋光子１０は、再びレーザ光の偏光面を同じ回転方向に４５°回転させる。この結果、レーザ光の偏光面は合計で９０°回転させられることになる。この後、レーザ光は、再び固体レーザ媒質１２５に入射して増幅される。さらに、ミラー１２７および１２８によって反射されて、もう一度、固体レーザ媒質１２５に入射し、増幅される。このように、主増幅器１２４はレーザ光を４回増幅する。

固体レーザ媒質１２５から出射したレーザ光は、ミラー１２３によって反射され、ファラデーアイソレータ１２２を通過した後、ポラライザ１２１に戻る。ファラデー旋光子１０によってレーザ光の偏光面が９０°回転させられたため、レーザ光はポラライザ１２１により反射される。この反射光がＭＯＰＡシステム１００の出力光である。

以下では、比較例を挙げて、本実施形態のファラデー旋光子１０の利点を説明する。この比較例は、単一の光学媒質を有するファラデー旋光子である。図４は、比較例のファラデー旋光子を示す斜視図である。このファラデー旋光子９０は、円柱状の光学媒質１５を有する。光学媒質１５の外周面は円筒形の永久磁石２５によって覆われている。光学媒質１５は上記の光学媒質１１〜１４と同じ磁気光学材料から構成されている。永久磁石２５は永久磁石２２と同じ材料から構成されており、永久磁石２２と同じ磁界をその内部に形成する。

ファラデー旋光子９０では、以下の式

が成り立つ。ここで、Ｖは光学媒質１５のベルデ定数、Ｈは永久磁石２５が光学媒質１５に印加する磁界の静磁束密度、Ｌ_５は光学媒質１５の光軸３０に沿った長さである。一方、ファラデー旋光子１０では、上記（２）式に基づいて、以下の式

が成り立つ。ここで、Ｖは光学媒質１１〜１４のベルデ定数、Ｈは永久磁石２２が光学媒質１１〜１４に印加する磁界の静磁束密度、Ｌ_１〜Ｌ_４は光学媒質１１〜１４の光軸３０に沿った長さである。

この二式から明らかなように、ファラデー旋光子１０および９０が同一の旋光角θを有する場合、Ｌ_５は（Ｌ_１＋Ｌ_２＋Ｌ_３＋Ｌ_４）に等しい。したがって、光学媒質１１〜１４の個々の長さは光学媒質１５の長さよりも短いことになる。これに応じて、光学媒質１１〜１４の個々の体積も光学媒質１５の体積より小さくなる。光が光学媒質を透過するときに光学媒質の内部に蓄積される熱量は、光学媒質の体積に応じて増加する。つまり、体積が小さいほど光学媒質に蓄積される熱量は少ない。この結果、比較的長い単一の光学媒質１５から構成されるファラデー旋光子９０に比べ、比較的短い複数の光学媒質１１〜１４から構成されるファラデー旋光子１０は、光学媒質の内部発熱に起因する熱効果を抑えることができる。

図５は、比較例のファラデー旋光子９０に光軸３０に沿ってレーザ光を入射させ、偏光解消の程度を測定した結果を示している。図５の横軸は入射レーザ光のパワーを示し、縦軸は偏光解消比を示している。丸印は実験結果のプロット点であり、実線は理論曲線を示す。図５に示されるように、入射レーザ光のパワーが増すにつれて偏光解消比が高まっており、３００Ｗのパワーでは約１０％の損失が発生してしまう。これは、ファラデー旋光子で発生した熱複屈折効果によって、レーザ光の直線偏光性が弱まるためである。

図６は、本実施形態および比較例の双方におけるファラデー旋光子の温度分布を数値計算した結果を示している。図６の横軸は入射レーザ光のパワーを示し、縦軸は光学媒質における最大温度差を示している。実線は比較例のファラデー旋光子９０、波線は本実施形態のファラデー旋光子１０の温度分布をそれぞれ示している。図６には、２枚および３枚の光学媒質を有するファラデー旋光子の温度分布も、それぞれ一点鎖線、二点鎖線として示されている。図６に示されるように、入射レーザ光のパワーが３００Ｗのとき、本実施形態における温度上昇は、比較例に比べて１０分の１以下に抑えられている。温度上昇の抑制は、すなわち熱効果の抑制を示す。このように、本実施形態のファラデー旋光子が採用する多段媒質構造は、熱効果の抑制に有効である。

ファラデー旋光子１０では、光学媒質１１〜１４の向かい合う端面間の間隙４５にインデックスマッチング液４６が満たされている。これにより光学媒質１１〜１４の端面での光反射が低減されるので、光学媒質１１〜１４間を伝搬する光の損失を低減できる。さらに、インデックスマッチング液４６は光学媒質１１〜１４を冷却する冷媒としても働く。インデックスマッチング液４６が光学媒質１１〜１４の端面に接触しながらファラデー旋光子１０内を流通することにより、光学媒質１１〜１４が冷却される。これにより、光学媒質１１〜１４内の温度差が低減され、光学媒質１１〜１４内の温度分布が均一になる。これにより、光学媒質１１〜１４での熱効果、特に熱レンズ効果をいっそう抑えることができる。

（第２実施形態）以下では、本発明の第２の実施形態を説明する。図７は、本実施形態に係るファラデー旋光子を示す斜視図である。図７において符号５０は、このファラデー旋光子１０ａを透過する光ビームを示している。ファラデー旋光子１０ａは、冷媒を流す流路の構造が第１実施形態のファラデー旋光子１０と異なる。ファラデー旋光子１０ａでは、光学媒質１６〜１８の側面を包囲するように円筒状の流路４９が設けられ、そこを冷却水４８が流れる。流路４９は光学媒質１６〜１８と同軸に形成されている。

ファラデー旋光子１０ａは、円柱状の光学媒質１６〜１８を有する。光学媒質１６〜１８は共通の光軸３０に沿って互いに離間させて配置されている。光学媒質１６〜１８の側面は光軸３０に平行であり、端面は光軸３０と直交する。これらの光学媒質の組成は第１実施形態における光学媒質１１〜１４と同じである。光学媒質１６〜１８は円筒形の内側ハウジング２０内に収容され固定されている。内側ハウジング２０は光学媒質１６〜１８と同軸に配置されており、その中心軸は光軸３０に合わせられている。内側ハウジング２０内において光学媒質１６〜１８は、第１実施形態と同じようにホルダによって保持されていてもよい。本実施形態では、内側ハウジング２０は熱伝導性の高い材料、例えば銅から構成されている。円筒形の永久磁石２２は、内側ハウジング２０の外周面を覆うように設置される。永久磁石２２は光学媒質１６〜１８と同軸に配置されており、その中心軸は光軸３０に合わせられている。永久磁石２２の内周面と内側ハウジング２０の外周面とは一定の間隔をあけて離間されている。この内周面と外周面の間に形成される間隙が冷却水４８用の流路４９である。永久磁石２２の外周面は外側ハウジング２４によって覆われている。外側ハウジング２４は光学媒質１６〜１８と同軸に配置されており、その中心軸は光軸３０に合わせられている。

ファラデー旋光子１０ａの旋光角θは、以下の式

のように表される。ここで、Ｖは光学媒質１６〜１８のベルデ定数、Ｈは永久磁石２５が光学媒質１６〜１８に印加する磁界の静磁束密度、Ｌ_６〜Ｌ_８は光学媒質１６〜１８の光軸３０に沿った長さである。

冷却水４８はファラデー旋光子１０ａの軸方向、すなわち光軸３０に平行な方向に沿ってファラデー旋光子１０ａ内を流通する。このような軸流冷却方式を採用しても、第１実施形態と同様の効果を達成することができる。複数の光学媒質１６〜１８を用いているので、各光学媒質の体積を低減して熱効果を抑えることができる。冷却水４８は内側ハウジング２０を通じて光学媒質１６〜１８から熱を吸収し、光学媒質１６〜１８を冷却する。これにより、光学媒質１６〜１８での熱効果、特に熱レンズ効果をいっそう抑えることができる。

（第３実施形態）以下では、本発明の第３の実施形態を説明する。図８は、第３実施形態のファラデー旋光子を示す斜視図である。このファラデー旋光子１０ｂは、第２実施形態のファラデー旋光子１０ａにおいて光学媒質１７を石英旋光子７０で置き換えた構造を有している。他の構成は第２実施形態と同様なので重複する説明を省略する。

石英旋光子７０は、溶融石英の円柱体から構成されている。石英旋光子７０は、光学媒質１６および１８と実質的に同一の外径を有している。石英旋光子７０は、石英の自然旋光性に基づいて光の偏光面を回転させる。石英旋光子７０は光学媒質１６および１８と同軸に配置されており、石英旋光子７０の光軸（中心軸）は光学媒質１６および１８の光軸３０に合わせられている。本実施形態では、光学媒質１６および１８の個々の旋光角は２２．５°であり、石英旋光子７０の旋光角は６７．５°である。石英旋光子７０の旋光角は、光軸３０に沿った石英円柱体の長さに応じて決まる。

一般に、磁気光学効果は非相反性を有するため、光学媒質１６および１８を透過する光の偏光面は、その光の進行方向によらず同じ方向に回転する。したがって、光学媒質１６および１８を光が光軸３０に沿って往復透過する場合、光の偏光面は往路と復路で同じ方向に回転する。一方、石英旋光子７０による自然旋光は相反性を有しており、石英旋光子７０による偏光面の回転方向は、光の進行方向に対して時計回りまたは反時計回りのいずれかに決まっている。したがって、光が石英旋光子７０を光軸３０に沿って往復透過する場合、光の偏光面は往路と復路で反対方向に同じ角度だけ回転する。つまり、石英旋光子７０による偏光面の回転は往路と復路とで相殺されてしまう。

このため、ファラデー旋光子１０ｂは入射光の進行方向に応じて異なる旋光角（１１２．５°および−２２．５°）を有する。しかし、ファラデー旋光子１０ｂは、光軸３０に沿ってファラデー旋光子１０ｂを往復透過する直線偏光の偏光面を９０°回転するという点では、ファラデー旋光子１０と同じである。したがって、ファラデー旋光子１０ｂは、多重パス増幅方式のレーザシステムにおいて、４５°の旋光角を有するファラデー旋光子１０と同じように使用できる。

石英旋光子７０によって直線偏光の偏光面を適切な角度だけ回転させると、ファラデー旋光子１０ｂを直線偏光が光軸３０に沿って往復透過するときに、光学媒質１６および１８が互いの熱複屈折効果を補償しあうようになる。これにより、熱複屈折効果をいっそう低減することができる。熱複屈折効果の補償に適した石英旋光子７０の旋光角は、ジョーンズ行列を用いた解析計算により求めることができる。なお、熱複屈折効果を効率良く低減するためには、光学媒質１６および１８が同じ相対位相差および主軸方向を有していることが好ましい。

本実施形態では、石英旋光子７０の前後に光学媒質が一つずつ配置されている。しかし、石英旋光子７０の前後に複数の光学媒質が配置されていてもよい。石英旋光子７０の前後に同数の光学媒質を配置すれば、熱複屈折効果を補償することができる。一般的に述べると、ファラデー旋光子１０ｂは、連続して並んだ第１〜第ｍ（ｍは自然数）の光学媒質と、連続して並んだ第（ｍ＋１）〜第２ｍの光学媒質を含んでいてもよい。これらの光学媒質は互いに離間している。石英旋光子７０は、第ｍおよび第（ｍ＋１）の光学媒質の間に配置される。石英旋光子７０の旋光角を適切に設定することにより、第１〜第ｍの光学媒質からなる媒質群と、第（ｍ＋１）〜第２ｍからなる媒質群とが、互いに熱複屈折効果を補償し合う。これにより、熱複屈折効果が低減される。

（第４実施形態）以下では、本発明の第４の実施形態を説明する。図９は、第４実施形態のファラデー旋光子を示す斜視図である。このファラデー旋光子１０ｃは、永久磁石の構造が第１実施形態のファラデー旋光子１０と異なる。ファラデー旋光子１０ｂは、単一の永久磁石２２の代わりに、複数の永久磁石（単位永久磁石）６１〜６４を有している。永久磁石６１〜６４の各々は、光軸３０の周りに対称な円環形状を有している。永久磁石６１〜６４は、光軸３０に沿って互いに同軸に、かつ互いに離間させて配置されている。永久磁石６１〜６４は、ホルダ３１〜３４および内側ハウジング２０を挟んで光学媒質１１〜１４の外周面を包囲している。他の構成は第１実施形態と同様なので、重複する説明を省略する。

本実施形態のように、光学媒質１１〜１４は複数の永久磁石によって別個に包囲されていてもよい。永久磁石６１〜６４の内部に形成される磁界の静磁束密度をＨ_１〜Ｈ_４、光学媒質１１〜１４の光軸３０に沿った長さをＬ_１〜Ｌ_４、光学媒質１１〜１４のベルデ定数をＶ_１〜Ｖ_４とすると、以下の式

が成り立つ。光学媒質１１〜１４のベルデ定数および磁石６１〜６４の静磁束密度を適切に選択すれば、単一の光学媒質１５から構成された同じ旋光角θのファラデー旋光子９０と比べて、光学媒質１１〜１４の長さを低減できる。したがって、上記の実施形態と同様に、各光学媒質の体積を低減し、熱効果を抑えることができる。

光学媒質１１〜１４には、それらを包囲する永久磁石６１〜６４から個別に磁界が印加される。このため、光学媒質１１〜１４の各々に印加する磁界を永久磁石６１〜６４ごとに異ならせることも可能である。したがって、本実施形態のファラデー旋光子１０ｃは、設計の自由度が高い。

なお、本実施形態では、単位永久磁石６１〜６４が光学媒質１１〜１４を一対一に収容している。しかし、単位永久磁石は光学媒質と同数でなくてもよい。一つの単位永久磁石が複数の光学媒質を収容し、それらの光学媒質に磁界を印加してもよい。

以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

上記実施形態では、ファラデー旋光子内の流路に冷媒を流すことにより光学媒質が冷却される。しかし、この代わりに、光学媒質の向かい合う端面間の間隙（例えば、第１実施形態における間隙４５）を真空にしてもよい。これにより、断熱効果が高まり、光学媒質の内部に生じた熱が外部に逃げにくくなる。光学媒質の外部に熱が逃げると光学媒質内の温度分布が不均一になりやすい。不均一な温度分布は光学媒質を通過する光に熱レンズ効果を及ぼし、その結果、光のビームパターンを歪めるといった問題を引き起こす。したがって、光学媒質の端面間の間隙を真空にして熱の散逸を防止すれば、光学媒質内の温度分布を均一に保ち、熱レンズ効果を抑えることができる。

上記実施形態では円板状または円柱状の光学媒質が使用されている。しかし、他の任意の形状の光学媒質、例えばスラブ形状の光学媒質を使用することができる。また、光学媒質の光軸に垂直な断面の形状は円形に限られるわけではなく、任意の形状を採用できる。

第１実施形態のファラデー旋光子を示す斜視図である。 （ａ）はファラデー旋光子の正面図であり、（ｂ）はファラデー旋光子の縦断面図である。 ファラデー旋光子を有するレーザシステムの構成を示す図である。 比較例のファラデー旋光子を示す斜視図である。 比較例の偏光解消比を示す図である。 第１実施形態および比較例の温度分布を示す図である。 第２実施形態のファラデー旋光子を示す斜視図である。 第３実施形態のファラデー旋光子を示す斜視図である。 第４実施形態のファラデー旋光子を示す斜視図である。

符号の説明

１０…ファラデー旋光子、１１〜１８…光学媒質、２０…内側ハウジング、２２…永久磁石、２４…外側ハウジング、２６…流入口、２８…流出口、３０…光軸、３１〜３４…ホルダ、４１〜４４…貫通孔、４５…間隙、４６…インデックスマッチング液、４７および４９…流路、４８…冷却水、７０…石英旋光子。

Claims (8)

1. 磁気光学材料から構成され、共通の光軸を有し、互いに離間した第１〜第ｎ（ｎは２以上の整数）の光学媒質と、
   前記第１〜第ｎの光学媒質に磁界を印加する永久磁石と、
   前記第１〜第ｎの光学媒質の間に配置された石英旋光子と、
   を備え、
   前記ｎは偶数２ｍ（ｍは自然数）であり、
   前記第１〜第ｎの光学媒質は、連続して並んだ第１〜第ｍの前記光学媒質と、連続して並んだ第（ｍ＋１）〜第２ｍの前記光学媒質から構成されており、
   前記石英旋光子は、前記第ｍおよび第（ｍ＋１）の光学媒質の間において前記光軸と同軸に配置されており、
   前記第１〜第ｍの前記光学媒質の全体の旋光角が２２．５度、前記第（ｍ＋１）〜第２ｍの前記光学媒質の全体の旋光角が２２．５度、及び、前記石英旋光子の旋光角が６７．５度と設定されることにより、前記第１〜第ｍの前記光学媒質と前記第（ｍ＋１）〜第２ｍの前記光学媒質とが互いに熱複屈折効果を補償し合うように構成されている、
   ことを特徴とするファラデー旋光子。
2. 旋光角θを有する請求項１に記載のファラデー旋光子であって、
   前記第１〜第ｎの光学媒質は、実質的に同一のベルデ定数Ｖを有しており、
   前記永久磁石が前記第１〜第ｎの光学媒質にそれぞれ印加する磁界は、実質的に同一の静磁束密度Ｈを有しており、
   前記第１〜第ｎの光学媒質は、以下の式
   

   

   
   を満たす長さＬ_１〜Ｌ_ｎを前記光軸に沿ってそれぞれ有している、
   請求項１に記載のファラデー旋光子。
3. 前記第１〜第ｎの光学媒質は、前記光軸の周りに対称な形状を有しており、
   前記永久磁石は、互いに離間した複数の単位永久磁石を含んでおり、
   前記複数の単位永久磁石は、前記光軸の周りに対称な筒状体であり、前記第１〜第ｎの光学媒質のうち互いに異なる一つ以上の光学媒質を同軸に包囲しており、
   前記第１〜第ｎの光学媒質および前記複数の単位永久磁石を収容するハウジングを更に備える請求項１または２に記載のファラデー旋光子。
4. 前記第１〜第ｎの光学媒質を冷却する冷媒用の流路をさらに備える請求項１〜３のいずれかに記載のファラデー旋光子。
5. 前記第１〜第ｎの光学媒質は、実質的に同一の屈折率を有し、かつ、前記光軸と交差する端面を有しており、
   向かい合う前記端面の間に配置された屈折率整合材をさらに備える請求項１〜４のいずれかに記載のファラデー旋光子。
6. 前記屈折率整合材は液体であり、
   前記屈折率整合材用の流入口および流出口、ならびに前記流入口および前記流出口間に延在する流路をさらに備える請求項５に記載のファラデー旋光子。
7. 前記第１〜第ｎの光学媒質および前記永久磁石を収容するとともに前記屈折率整合材を封入するハウジングをさらに備える請求項５または６に記載のファラデー旋光子。
8. 前記第１〜第ｎの光学媒質は、前記光軸と交差する端面を有しており、
   向かい合う前記端面間の間隙が真空である、
   請求項１〜４のいずれかに記載のファラデー旋光子。

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