JP4725237B2

JP4725237B2 - レーザ共振器

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Publication number: JP4725237B2
Application number: JP2005235796A
Authority: JP
Inventors: 淳伊澤; 文夫松坂
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2005-08-16
Filing date: 2005-08-16
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2025-08-16
Also published as: JP2007053160A

Description

本発明は、損傷防止機能をもつ、内部波長変換型のレーザ共振器に関するものである。

従来、Ｎｄ：ＹＡＧの如きレーザ媒質及び所定の鏡体で構成したレーザ共振器において、レーザ媒質により発生する所定の波長のレーザ光をＳＨＧ結晶の如き波長変換素子を用いて波長変換し、この波長変換した光を出力する内部変換型のレーザ共振器が提供されている。

内部波長変換型のレーザでは、レーザ共振器内部に置いた波長変換素子による波長変換光を出力として取り出す。これにより内部レーザ光強度を高くすることができ、かつ波長変換しなかった残りのレーザ光を再利用できるため外部波長変換型レーザに比べて高効率動作が可能である。

図１は、従来の内部変換型のレーザ共振器の概略を示す図である。

このレーザ共振器１００は、全反射鏡による終端鏡１０１と、Ｎｄ：ＹＡＧの如きレーザ媒質１０２と、波長選択鏡による出力鏡１０３とからなるレーザ共振器において、このレーザ共振器の光軸上に配置されたＳＨＧ結晶の如き波長変換素子１０４を具備する。

レーザ共振器で発生した所定波長のレーザ光は、波長変換素子１０４によって波長を変換され、出力鏡１０３を介して出力される。
特開平５−２０６５６０号公報特開２００２−３４４０５１号公報

しかしながら、内部波長変換型のレーザ共振器では、レーザ光をレーザ共振器内部に閉じ込めて高効率の動作を確保するため、レーザ共振器におけるレーザ光の損失を最小限にしている。このため初期条件設定時や共振器立ち上げ時など、波長変換素子における波長変換効率が低い状態において、レーザ共振器内部のレーザ強度が上がりすぎて光学部品が損傷する懸念があった。また、これを回避するために、レーザ共振器内部のレーザ光の強度を低下させるように意図的に損失を与えれば、レーザ共振器における動作効率が低下する問題がある。

本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、レーザ共振器の動作効率を確保しつつ、初期条件設定時や立上げ時など波長変換素子の変換効率が低いときでもレーザ強度を制御できるようなレーザ共振器を提供することを目的とする。

前述の課題を解決するため、本発明に係るレーザ共振器は、レーザ媒質を励起して第１波長のレーザ光を発生させるレーザ共振器において、前記レーザ共振器の光路上に設置され、前記第１波長のレーザ光をこの第１波長と異なる第２波長のレーザ光に変換する波長変換素子と、前記レーザ共振器の光路上に設置され、前記第１波長のレーザ光の損失を制御する損失制御素子と、を有する。

前記レーザ共振器は、同一光軸上に配置した終端鏡、レーザ媒質及び出力鏡を備え、前記終端鏡と出力鏡間で繰り返し反射する光を前記レーザ媒質で増幅して第１波長のレーザ光を発生させ、この第１波長のレーザ光は前記波長変換素子で第２波長に変換されて前記出力鏡を介して出力されることが好ましい。

前記レーザ共振器は、第１終端鏡と、出力鏡と、第２終端鏡と、レーザ媒質とを有し、前記第１終端鏡及び前記出力鏡を結ぶ第１光路と、前記第２終端鏡と前記出力鏡を結ぶ第２光路とに沿って、前記出力鏡を前記第１及び第２光路の折り返し鏡として繰り返し反射する光を前記第２光路上に配置された前記レーザ媒質で増幅して第１波長のレーザ光を発生させるものであって、前記波長変換素子は前記第１光路上に配置され、前記損失制御素子は前記第２光路上であって前記レーザ媒質と前記出力鏡間に配置され、前記第１波長のレーザ光は前記波長変換素子で第２波長に変換されて前記出力鏡を介して出力されることが好ましい。

前記損失制御素子は、前記第２光路上の前記出力鏡と前記レーザ媒質間に配置され、所定偏光方向のレーザ光を前記出力鏡方向と前記レーザ媒質方向で折り返す偏光選択素子と、前記第２光路上の前記出力鏡と前記偏光選択素子間に配置されたレーザ光の偏光方向を制御可能な偏光制御素子と、を有することが好ましい。

前記損失制御素子は、前記第２光路上の前記出力鏡と前記レーザ媒質間に配置され、所定偏光方向のレーザ光を折り返す互いに平行な反射面を有する一組の偏光制御素子と、前記第２光路上の前記一組の偏光制御素子間に配置されたレーザ光の偏光方向を制御可能な偏光制御素子と、を有することが好ましい。

前記偏光選択素子は、偏光ビームスプリッタであることが好ましい。

前記偏光制御素子は、波長板であることが好ましい。

前記第２光路上の前記第２終端鏡媒質と前記損失制御素子間にＱスイッチを有することが好ましい。

本発明では、損失が可変な損失制御素子を用いて、レーザ共振器内部のレーザ強度を調整することにより問題を解決している。すなわち、波長変換素子の効率が低いときには損失制御素子による損失を大きくし、波長変換素子の効率が高いときには損失制御素子による損失を小さくするように、レーザの状態によって損失制御素子の損失を適切に変化させることにより、光学部品の損傷防止と共振器の高効率動作を両立させている。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図２は、本発明に係るレーザ共振器の最小限の構成を示す図である。

このレーザ共振器１０は、全反射鏡による終端鏡１１と、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦの如きレーザ媒質１２と、波長選択鏡による出力鏡１３から構成されるレーザ共振器において、このレーザ共振器の光軸上に設置されたＬＢＯ，ＢＢＯ結晶の如き波長変換素子１４と、前記光軸上に設置された損失制御素子１５とを有している。

終端鏡１１と、レーザ媒質１２と、出力鏡１３とからなるレーザ共振器は、終端鏡１１と出力鏡１３間で反射して往復する光を、図示しないクリプトンランプなどの励起源によって励起されたレーザ媒質１２によって増幅してレーザ発振させ、第１波長のレーザ光を発生させる。

レーザ共振器によって発生した第１波長のレーザ光は、波長変換素子１４によって波長を第２波長に変換され、この第２波長の光は出力鏡１３を介して外部に出力される。

ここで、レーザ共振器内でのレーザ光の損失については、最終的に出力される第２波長のレーザ光に対して出力が最大になるような最適値を取るように設計されるが、第１波長のレーザ光に対しては最小になるように設計されている。

一方、初期条件設定のための調整時、レーザ発振器の立上げ時などには、波長変換素子の変換効率が低いため、第１波長から第２波長への変換が十分に行われず、レーザ共振器内では第１波長のレーザ光が主成分になるが、前述のように第１波長に対するレーザ共振器の損失は低い値であるため、レーザ共振器内の第１波長のレーザ光強度が過大になる恐れがある。

損失制御素子２４は、初期調整時や立上げ時など、波長変換素子の変換効率が低く、第２波長のレーザ光が安定して得られるまでの期間、レーザ共振器における第１波長のレーザ光に対する損失を大きくすることにより、レーザ光の強度を所定範囲内に制御している。

このレーザ共振器１０は、このような損失制御素子１５を備えることにより、初期条件設定時や立上げ時などにも、レーザ発振器内部のレーザ光の強度を制御することができる。したがって、このような場合においても、光学部品の破損が生じないようにすることができる。

図３は、本発明に係るレーザ共振器の第１の実施の形態を示す図である。

レーザ共振器２０は、全反射鏡による第１終端鏡２１と、波長選択による出力鏡２３と、これら第１終端鏡２１と出力鏡２３を結ぶ第１光路Ｌ２１上に配置された波長変換素子２２とを有している。

また、レーザ共振器２０は、第２終端鏡２７と、出力鏡２３と第２終端鏡２７を結ぶ第２光路Ｌ２２上に、レーザ媒質２６と、レーザ媒質２６と出力鏡２３間に配置されたＱスイッチ２５と、Ｑスイッチ２５と出力鏡２３間に配置された損失制御素子２４とを有している。

出力鏡２３は、第１及び第２光路Ｌ２１，Ｌ２２の光軸に対して略４５度の角度を有して配置され、レーザ光を前記光軸Ｌ２１に沿って外部に出射するとともに、第１光路Ｌ２１に沿ったレーザ光と第２の光路Ｌ２２に沿ったレーザ光の方向を互いに転換する折り曲げ鏡を兼ねている。この出力鏡２３は、レーザ媒質２６によって発生された第１波長のレーザ光に対する反射率が高く、第１レーザ光を波長変換素子２２で波長変換した第２レーザ光に対する透過率が高いような特性を有している。

損失制御素子２４は、Ｑスイッチ２５と出力鏡２３間に配置された偏光ビームスプリッタ（以下では、ＰＢＳという。）２４ｂと、ＰＢＳ２４ｂと出力鏡２３間に配置された１／４波長板２４ａとを有している。

この損失制御素子２４において、ＰＢＳ２４ｂと１／４波長板２４ａは、それぞれ偏光選択素子及び偏光制御素子として、レーザ光の損失を制御する損失制御素子を構成している。

すなわち、１／４波長板２４ａは、第２光路Ｌ２２の光軸周りに回転することにより、透過するレーザ光の偏光方向を制御する。ＰＢＳ２４ｂは、１／４波長板２４ａから供給されるレーザ光の内、ｓ偏光を反射してＱスイッチ２５、レーザ媒質２６及び第２終端鏡２７方向の第２光路Ｌ２２に折り曲げるが、ｐ偏光を光路外に透過させる。

続いて、前述した構成を有する第１の実施の形態のレーザ共振器２０の作用を説明する。

第１終端鏡２１と出力鏡２３間の第１光路Ｌ２１と、出力鏡２３と第２終端鏡２７間の第２光路Ｌ２２が、出力鏡２３で折り返された一連の光路上にレーザ媒質２６を備えるレーザ共振器において、この光路を繰り返し反射する光は、図示しないクリプトンランプ等の励起源によって励起されたレーザ媒質２６によって増幅され、第１波長のレーザ光を発生する。

本実施の形態では、第２光路Ｌ２２中にＱスイッチ２５を備え、レーザ媒質２６に蓄積されるエネルギーが十分大きくなるまでQスイッチ２５内部の損失を十分に大きくしてレーザ発振を停止させ、十分な励起強度に達した後にＱスイッチ２５の内部損失を無くしてレーザ発振を開始させるように、Ｑスイッチ２５を制御している。

Ｑスイッチ２５がオンされると、Ｑスイッチ２５を透過したレーザ光は、第１の光路Ｌ２１上の波長変換素子２２によって第１波長から第２波長に変換される。この第２波長のレーザ光は、出力鏡２３を透過してレーザ共振器外に出力される。

本実施の形態のレーザ共振器２０は、Ｑスイッチ２５によるスイッチングにより間歇的にレーザ光を発生する。しかしながら、Ｑスイッチ２５を設けず、レーザ共振器でレーザ光を連続発振（ＣＷ）させることにより、レーザ光を連続的に出力することも可能である。

本実施の形態において、損失制御素子２４は、初期調整時や立上げ時など、波長変換素子の変換効率が低く、第２波長のレーザ光が安定して得られるまでの期間、レーザ共振器における第１波長のレーザ光に対する損失を大きくすることにより、レーザ光の強度を所定範囲内に制御している。

このため、損失制御素子２４において、１／４波長板２４ａの第２光路Ｌ２２周りの回転角度を制御して、ＰＢＳ２４ｂの反射面に対するｓ偏光とｐ偏光の割合を制御する。すなわち、レーザ光の損失を大きくする場合には、ＰＢＳ２４の反射面を透過して光路外に出射されるｐ偏光の割合が多くなるようにする。一方、レーザ光の損失を小さくする場合には、ＰＢＳ２４の反射面で反射され、Ｑスイッチ２５、レーザ媒質２６及び第２終端鏡２７に向かう第２光路Ｌ２２に折り返されるｓ偏光の割合が多くなるようにする。

このように、レーザ光の損失を適切に制御することにより、初期条件設定時や立上げ時などにおいてもレーザ光の強度が大きくなりすぎないように制御している。したがって、レーザ光の強度が大きくなりすぎることにより、光学部品が破損することを防止することができる。

一方、初期条件設定時や立上げ時から一定時間を経過して、第１波長でのレーザ発振が安定して、波長変換素子２２の波長変換効率が向上した状態では、損失制御素子２４における損失が最低限になるように制御する。これによって、レーザ共振器２０における高効率な動作を確保することができる。

具体的に、上述のレーザ光の損失制御は、損失制御素子２４において、初期条件時や立上げ時から一定時間を経過するまでレーザ光に所定損失が生じるように設定することができる。また、レーザ共振器におけるレーザ光の状態を適当な検出手段でモニタリングし、レーザ光が第１波長に安定するまでの期間にわたってレーザ光に所定損失が生じるように設定することができる。

図４は、本発明に係るレーザ共振器の第２の実施の形態を示す図である。

レーザ共振器３０は、全反射鏡による第１終端鏡３１と、波長選択による出力鏡３３と、これら第１終端鏡３１と出力鏡３３を結ぶ第１光路Ｌ３１上に配置された波長変換素子３２とを有している。

また、レーザ共振器３０は、第２終端鏡３８と、出力鏡３３と第２終端鏡３８を結ぶ第２光路Ｌ３２上に、レーザ媒質３７と、レーザ媒質３７と出力鏡２３間に配置されたＱスイッチ３６と、Ｑスイッチ３６と出力鏡３３間に配置された損失制御素子３５と、損失制御素子３５と出力鏡３３間に配置された折り曲げ鏡３４とを有している。

出力鏡３３は、第１及び第２光路Ｌ３１，Ｌ３２の光軸に対して略４５度の角度を有して配置され、レーザ光を前記光軸Ｌ３１に沿って外部に出射するとともに、第１光路Ｌ３１に沿ったレーザ光と第２の光路Ｌ３２に沿ったレーザ光の方向を互いに転換する折り曲げ鏡を兼ねている。この出力鏡３３は、レーザ媒質３７によって発生された第１波長のレーザ光に対する反射率が高く、第１レーザ光を波長変換素子３２で波長変換した第２レーザ光に対する透過率が高いような特性を有している。

損失制御素子３５は、第２光路Ｌ３２上に、折り曲げ鏡３４とＱスイッチ間に互いに平行な反射面を有する一組の第１及び第２ＰＢＳ３５ａ，３５ｃと、これら第１及び第２ＰＢＳ間に１／２波長板３５ｂとを有している。これらの内で、第１及び第２ＰＢＳ３５ａ，３５ｃは偏光選択素子を構成し、１／２波長板３５ｂは偏光制御素子を構成している。

第１ＰＢＳ３５ａは、その反射面で第２光路Ｌ３２を折り曲げ鏡３４方向と１／２波長板３５ｂ及び第２ＰＢＳ３５ｃ方向間で折り曲げている。ここで、第１ＰＢＳ３５ａは、１／２波長板３５ｂから供給されるレーザ光のうち、ｓ偏光を反射して折り曲げ鏡３４方向に折り曲げるが、Ｐ偏光を光路外に透過させる。１／２波長板３５ｂは、第２光路Ｌ２２の光軸周りに回転することにより、透過するレーザ光の偏光方向を制御する。第３ＰＢＳ３５ｃは、その反射面で第２光路Ｌ３２を第１ＰＢＳ３５ａ及び１／２波長板３５ｂ方向と第２ＰＢＳ３５ｂｃ方向間で折り曲げている。第２ＰＢＳ３５ｃは、１／２波長板３５ｂから供給されるレーザ光のうち、ｓ偏光を反射してＱスイッチ３６、レーザ媒質３７及び第２終端鏡３８方向の第２光路Ｌ３２に折り曲げるが、Ｐ偏光を光路外に透過させる。

続いて、前述した構成を有する第２の実施の形態のレーザ共振器３０の作用を説明する。

第１終端鏡３１と出力鏡３３間の第１光路Ｌ３１と、出力鏡３３と第２終端鏡３８間の第２光路Ｌ３２が、出力鏡３３で折り返された一連の光路上にレーザ媒質３７を備えるレーザ共振器において、この光路を繰り返し反射する光は、図示しないクリプトンランプ等の励起源によって励起されたレーザ媒質３７によって増幅され、第１波長のレーザ光を発生する。

本実施の形態では、第２光路Ｌ３２中にＱスイッチ３６を備え、レーザ媒質３７によって増幅されるレーザ光の強度が十分大きくなるまで第２終端鏡３８とＱスイッチ３６間でレーザ光を往復させ、十分な強度に達した後にＱスイッチ３６を透過させるように、Ｑスイッチ３６を制御している。

Ｑスイッチ３６がオンされると、Ｑスイッチ３６を透過したレーザ光は、第１の光路上Ｌ３１の波長変換素子３２によって第１波長から第２波長に変換される。この第２波長のレーザ光は、出力鏡３３を透過してレーザ共振器外に出力される。

本実施の形態のレーザ共振器３０は、Ｑスイッチ３６によるスイッチングにより間歇的にレーザ光を発生する。しかしながら、Ｑスイッチ３６を設けず、レーザ共振器でレーザ光を連続発振させることにより、レーザ光を連続的に出力することも可能である。

本実施の形態において、損失制御素子３５は、初期条件設定時や立上げ時など、レーザ共振器から供給されるレーザ光が所定の第１波長から外れた場合、レーザ共振器の動作が安定して第１波長のレーザ光が得られるようになるまでの期間、レーザ共振器におけるレーザ光の損失を大きくすることにより、レーザ光の強度を所定範囲内に制御している。

このため、損失制御素子３５において、１／２波長板３５ｂの第２光路Ｌ３２周りの回転角度を制御して、第１及び第２ＰＢＳ３５ａ，３５ｃの反射面に対するｓ偏光とｐ偏光の割合を制御する。すなわち、レーザ光の損失を大きくする場合には、第１及び第２ＰＢＳ３５ａ，３５ｃの反射面を透過して光路外に出射されるｐ偏光の割合が多くなるようにする。一方、レーザ光の損失を小さくする場合には、１／２波長板３５ｂから第１及び第２ＰＢＳ３５ａ，３５ｃの反射面で反射され、この損失制御素子３５への第２光路Ｌ３２に折り返されるｓ偏光の割合が多くなるようにする。

一方、初期条件設定時や立上げ時から一定時間を経過して、レーザ光が所定の第１波長に安定し、波長変換素子３２の波長変換効率が向上した状態では、損失制御素子３５における損失が最低限になるように制御する。これによって、レーザ共振器３０における高効率な動作を確保することができる。

具体的に、上述のレーザ光の損失制御は、損失制御素子３５において、初期条件時や立上げ時から一定時間を経過するまでレーザ光に所定損失が生じるように設定することができる。また、レーザ共振器におけるレーザ光の状態を適当な検出手段でモニタリングし、レーザ光が第１波長に安定するまでの期間にわたってレーザ光に所定損失が生じるように設定することができる。

なお、前述の実施の形態における損失制御素子２４，３５における偏光制御素子としては、１／４波長板２４ａ又は１／２波長板３５ｂに代わって、ポッケルスセル、煽り角を有する誘電体多層膜、フレネル素子、ファラデーローテータを利用することも可能である。偏光制御素子に代わって、損失制御素子としてNDフィルタまたは音響光学素子を利用することも可能である。

また、前述の実施の形態においては、Ｑスイッチ２５，３６は、第２光路Ｌ２２，Ｌ３２においてレーザ媒質２６，３７と出力鏡２３，３３間に配置したが、本発明はこれに限定されない。Ｑスイッチ２５，３６は、レーザ媒質２６，３７と第２終端鏡２７，３８間に配置することも可能である。

従来のレーザ共振器の構成を示す図である。レーザ共振器の最小構成を示す図である。レーザ共振器の第１の実施の形態を示す図である。レーザ共振器の第２の実施の形態を示す図である。

符号の説明

１１終端鏡
１２レーザ媒質
１３出力鏡
１４波長変換素子
１５損失制御素子

Claims

レーザ媒質を励起して第１波長のレーザ光を発生させるレーザ共振器において、
前記レーザ共振器の光路上に設置され、前記第１波長のレーザ光をこの第１波長と異なる第２波長のレーザ光に変換する波長変換素子と、
前記レーザ共振器の光路上に設置され、前記第１波長のレーザ光の損失を制御する損失制御素子と、
を有し、
前記波長変換素子の変換効率が低く、第２波長のレーザ光が安定して得られるまでの期間、前記損失制御素子により第１波長のレーザ光に対する損失を大きくすることにより、レーザ光の強度を所定範囲内に制御するとともに、前記波長変換素子の変換効率が向上した状態では、前記損失制御素子における損失が最低限になるように制御することを特徴とするレーザ共振器。
前記レーザ共振器は、同一光軸上に配置した終端鏡、レーザ媒質及び出力鏡を備え、前記終端鏡と出力鏡間で繰り返し反射する光を前記レーザ媒質で増幅して第１波長のレーザ光を発生させ、この第１波長のレーザ光は前記波長変換素子で第２波長に変換されて前記出力鏡を介して出力されること特徴とする請求項１記載のレーザ共振器。
前記レーザ共振器は、第１終端鏡と、出力鏡と、第２終端鏡と、レーザ媒質とを有し、前記第１終端鏡及び前記出力鏡を結ぶ第１光路と、前記第２終端鏡と前記出力鏡を結ぶ第２光路とに沿って、前記出力鏡を前記第１及び第２光路の折り返し鏡とした一連の光路を繰り返し反射する光を前記第２光路上に配置された前記レーザ媒質で増幅して第１波長のレーザ光を発生させるものであって、
前記波長変換素子は前記第１光路上に配置され、前記損失制御素子は前記第２光路上であって前記レーザ媒質と前記出力鏡間に配置され、前記第１波長のレーザ光は前記波長変換素子で第２波長に変換されて前記出力鏡を介して出力されること
を特徴とする請求項1記載のレーザ共振器。
前記損失制御素子は、前記第２光路上の前記出力鏡と前記レーザ媒質間に配置され、所定偏光方向のレーザ光を前記出力鏡方向と前記レーザ媒質方向で折り返す偏光選択素子と、前記第２光路上の前記出力鏡と前記偏光選択素子間に配置されたレーザ光の偏光方向を制御可能な偏光制御素子と、を有することを特徴とする請求項３記載のレーザ共振器。
前記損失制御素子は、前記第２光路上の前記出力鏡と前記レーザ媒質間に配置され、所定偏光方向のレーザ光を折り返す互いに平行な反射面を有する一組の偏光制御素子と、前記第２光路上の前記一組の偏光制御素子間に配置されたレーザ光の偏光方向を制御可能な偏光制御素子と、を有することを特徴とする請求項３記載のレーザ共振器。
前記偏光選択素子は、偏光ビームスプリッタであることを特徴とする請求項４又は５記載のレーザ共振器。
前記偏光制御素子は、波長板であることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか一項に記載のレーザ共振器。
前記第２光路上の前記第２終端鏡と前記損失制御素子間にＱスイッチを有することを特徴とする請求項４又は５記載のレーザ共振器。