JP4961588B2 - レーザービームガイド用折返し装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部分に記載の小型レーザー用折返し装置と、レーザービームガイドのための折返し装置の使用と、請求項１６の前提部分に記載のレーザー発振装置の組立てに関する。

工業的そして科学的応用のためのレーザー設備において、例えば環境の影響に対するレーザーの隔離能力を向上させるといった、更なる効果を可能にする小型の構造がますます要求されている。しかし、共振器のビーム路長は、物理的な理由を有しているか、又は特殊構造に依る特定の効果に少なくとも関連している。従って、長いビーム路長と、ビームの長い自由走行距離と、小型構造とを、同程度に得ることが必要である。

例えば、モードカップリングによって動作するＮｄ：ＹＡＧ又はＮｄ：バナジウム酸塩ベースのレーザーに対し、これは正しい。通常、これらのレーザーは１．５メートル以上の大きさの共振器を有しており、従って特に小型構造が要求される応用分野に対しては、追加の対策無しには適さない。この対策としては、例えばＱスイッチとモードカップリングの組み合わせであり、１００ｋＨｚ以上の高いパルス繰り返し周波数と同時に高い出力とを兼ね備えた小型レーザー構造を可能にする。このような解決策は、例えばＷＯ０２／１１２５２公報に記載されており、この文献は参考のためにこの明細書に含まれるものとみなす。

このような代替処置が不可能であるか、又は不利益なものである場合は、幾何学的に整合した一連のミラーを用いてビーム経路を折り返すことで小型構造を得ることができる。例えばＷＯ０２／０６００２０公報から、特定の配置がされ連続した折り返しミラーの例が既知であり、この文献は参考のためにこの明細書に含まれるものとみなす。

著しく小型の構造が要求される場合を除いて、共振器内部又はその外側において、特定の媒質を通ってビームを複数回ガイドする必要性がしばしば存在する。これは、一回の通過で得られる効果を増幅し、又は異なる分光ビームを重ね合わせることになる。通過する回数は、得られる効果の大きさに対する決定的な判断基準であり、従って多くするべきである。しかし、組み立てに関してこれまで知られている限りにおいて、ほとんどの場合通過する回数を多くすると、付加的な部品が必要となり、それらを相互に組み合わせる必要が生じするため、より複雑なものになっていしまう。

例えばＧｉｒｅｓ−Ｔｏｕｒｎｏｉｓ干渉計や他の分散性の構造体のような適当な装置を経由して複数回通過することにより、一回の通過で得られるものより大きなビームの正または負の分散補正が得られる。

分光ビームと媒質を複数回利用した組合せ例として、米国特許４、７８５、４５９と５、２３７、５８４が知られている。両文献は参考のためにこの明細書に含まれるものとみなす。

米国特許４、７８５、４５９は、複合的なレーザー媒質を有し、等間隔でジグザクに鏡を折り重ねたレーザービーム発生装置を記載している。共振器のビーム経路は、共振器から離れた側で外部光源により励起されたすべてのレーザー媒質を経由する。

米国特許５、２３７、５８４は、等距離で一直線に並んだ複数のレーザーダイオードによって発生する横方向励起動作を含む固体レーザーを開示している。レーザー媒質の内側では、常に各レーザーダイオードと対向した媒質の内面で反射しながら、特定のレーザーダイオードから次のレーザーダイオードへとビームはジグザグにガイドされる。

ビーム経路を折り返すためのこれらの解決法は、すべて個別に設けられ、位置合わせ又は調整され、固定されることが必要な個々の装置を多数必要とする．
他の装置と相対的に固定される必要のある一つの装置の設計は、常に機械的衝撃が個別の装置の調節に損失を与えるというリスクを負う。

また、共振器の一端から他端又はレーザー媒質へのビーム経路は常に同じ反射点を通るから、分光ビームは分離できない。光の作用により劣化する材料の場合、例えば実際に利用可能な材料の利用する量が不足する原因となる。一方、ビームの断面は、特定の反射点、又はこの点で定義される装置に合わせる必要がある。つまり、ビ一ムの横断は装置が位置合わせのために変化している間、その装置によって制限される。例えば、外部衝撃によってさらに調整の損失が増加する。さらに、これはビームプロファイルやビーム経路の変化を結果的に制限する。
N. H. Schiller, X. M. Zhao, X. C. Liang, L. M. Wang, and R. R. Alfano, Appi. Opt., 28, 946 (1989) J. B. Deaton, Jr., A. D. W. McKie, J. B. Spicer, and J. W. Wagner, Appi. Phys. Lett., 56, 2390 (1990) J. B. Deaton, Jr., and J. W. Wagner, Appi. Opt., 33, 1051 (1994) D. Herriott, H. Kogelnik, and R. Kompfner, Appi. Opt., 3, 523 (1964) これら４文献すベて参考のためにこの明細書に含まれるものとみなす。

従って、より一層コンパクトなレーザー発振装置を可能にする装置を提供することが本発明の基本的な目的である。

また、コンパク卜な構造を提供することと同時にビーム特性に影響を与える多数回の媒質内の通過を可能とすることも目的である。

更なる目的は、変化結果と環境の影響に対する強靭な堅牢さに関し、より高い設計自由度を提供することである。

けれども更なる目的には分光ビームの分光特性の向上と利用可能な材料の量的利用向上がある。

本発明によればこれらの目的は解決され、又は従属する請求項の特徴と同様に請求項１と１５から１６の特徴によっても更に発展した解決策が提供される。

これらの目的は、本発明により解決され、又は特定の性質を有する折返し装置の使用によりさらに発展した解決策により解決される。本発明に係る折返し装置は、ビーム経路がガイドされる少くとも２つの相互に傾斜した反射面を有する。これらの面は、いくつかの反射部材の外面によって構成しても、単ー部材の内面によって構成してもよい。すなわち、反射は異なる光学的反射指数を有する少くとも２つの媒質間で発生する。

例えば単焦点又は共焦点の共振器のように曲面鏡面を含む解決策と反して、面は平面で、わずかに相互に傾いており、空洞内で用いると、折返し装置は非安定共振器となる。このように、本発明に係る折返し装置は例えば上記参考文献に記載のへリオットセルやホワイトセルといった他のマルチパス共振器とは異なる。

曲面を有する上記配置、特に非球面を用いた配置と比較すると、本発明に係る折返し装置の表面は、製造が容易であり、精度を要求されない。

ビ−ム経路の大部分が、２つの反射面間をガイドされることが好ましく、これにより部品点数を可能な限り少なくすることができる。しかし、一連の様々な反射面ペアは、コンパク卜な多段構造の実現にも特に用いることができる。

本発明によれば、２つの表面間は平行でなく傾いて角度を有している。これは反射点間の距離を変化させ、この構造体内部で分光ビームを分散する可変空間を形成する２枚の反射面間に角度がつくことにより、反射角が連続的に変化する。折返し装置のビーム伝播方向にガイドされる入射ビームに対し、面の法線に対する角度は連続した反射部材によって、反転する点において伝播方向が変化するまで連続的に減少し、そこからビームは折返し装置への入射点へ戻るようにガイドされる。

本発明によれば、折返し装置は、調整可能又は変化可能な角度を有する平面によっても形成可能であり、幾何学的反射条件を特定の構成に合わせることができる。

連続した表面で構成される折返し装置によれば、従来のビームの横断と調整又は折り返しミラー相互の位置ずれに関する制限を解消することができる。

単純な変形例においては、互いに対向する実質長方形断面の２枚のレーザー鏡によって本発明の折返し装置を構成することができる。両方の鏡は、互いに少し傾いており、本例ではレーザー共振器の内側に設けられている。折返し装置に入射後、ビームは基本的にこの部材内をジグザグに進むが、反射点間距離は連続的に変化する。折返し装置の端部において、ビームは後方に反射され、又は出射して、例えばレーザービームのビームスプリッタとして用いられるミラー部材で反射された後に、折返し装置に戻される。これにより、第一ビーム経路とは異なるビーム経路が続く。

表面構造又は境界面によっても反射を発生させることが本質的に知られており、本発明によれば、反射を増強したり、減少させるコーティング技術も用いることができる。

別の実施例では、折返し装置は、相互に少し傾いた２枚の外表面、即ち、完全に平行ではない面を有するモノリシック構造によって実現される。ここで、構造内部のビーム経路は第一実施例と同様である。特に、レーザー媒質は、上記ビーム経路を形成するように構成することが可能であり、これにより、同時に本発明の折返し装置として機能する。

ビームに影響を与える効果を増幅するために、例えばー層を複数回通過することによって、反射面のー方又は両方が、別の実施例において、このようなビームに影響を与える構成を同時にとることができる。２枚反射面構造の一つとして、例えばＧｉｒｅｓ−Ｔｏｕｒｎｏｉｓ干渉計のような分散構造を用いることができる。その代替として、経路が完全に一層の内部、又は対応する本体内部であってもよい。この場合、分散の管理は、空洞励起発信器と再生増幅器によって行われる。応用によっては、正又は負の分散は、プリズムライン及び/又は個々のＧｉｒｅｓ−Ｔｏｕｒｎｏｉｓ干渉計といった他の手段によっては十分にコンパクトな構成を実現できない本発明によって生成することができる。

基本的に、本発明に係る折返し装置の表面又は境界面は、追加の、又は他の種類の光学部品によって置き換えたり、補充したりすることができる。特に、ホログラムのような特定の回折構造をビームのガイドやビームに影響を与える目的に用いることができる。

同様に、本発明に係る折返し装置の用途は、レーザー共振器に設置するものに限定されない。折返し装置は、例えば共振器の内部とその外側の両方でパルスの伸張や圧縮に用いることができる。

本発明によれば、複数の折返し装置を直列に、又は上部同士を組み合わせることで、更に構造的に小型化したり、装置の要求仕様に合致させたりすることができる。このように、一台が光学的に自由ビーム経路を折り返すことで全体の長さを減縮し、もう一台が分散補正の最適化を実施するように、２台の折返し装置を組み合わせて使用することができる。

しかし、最適調整位置よりさらに角度がつくことによリ、レーザーモードのビーム位置よりずれるため、折返し装置によってレーザーは調整に対してより敏感になる。このことは、定在波共振器の末端のミラーにおいてレーザーモードの垂直方向が衝突するといったレーザー条件に合致させることを困難に又は不可能にするおそれがある。レーザー媒質内のビーム位置が励起点からずれた場合、より不完全なレーザーモードと励起点との重なりが生じ、出力が低下するか、又はもはや最適点にいなくなる。

本発明に係る折返し装置の多重反射において、例えば鏡面といった反射部材は反射のために一回以上用いられる。このことは反射回数の増加に伴い、角度のずれが集積されることを意味する。二枚の反射部材間の相対的調整誤差の存在が、光学部材の望ましくない高感度化を引き起こす。調整誤差に共通して、この関係は同時に発生する形状や製造上の誤差といった他の誤差と同様に考慮に入れなければならない。レーザー発振装置の光学的配置（空洞の構造）やすべてのレーザー部品の配置は、上記調整誤差を回避して最適な方向に調整可能である。具体的には、折返し装置の共振器内部の位置と、周囲の光学的共振器と、折返し装置内の反射回数と、折返し装置内の反射部材間の距離とを、調整誤差の感度を低下させるために計算に入れる。

モデル化と計算のために、専門家は一般に例えばＡＢＣＤＥＦマトリックス法（Siegman, A. E., "Lasers", University Science Books, 1986, ISBN 0935702113に記載）のような適切な試みをすることができる。

誤差角度δに傾けられた折返し装置は、長さ２ＮＬの折り返しのない光学的経路として記述することができ、ここでＬは反射部材間距離であり、Ｎは反射回数である。この経路の中間点において、誤差があった場合、鏡は２・Ｎ・δだけ位置ずれしたことになる。正確な画像を通して簡易化したこの方法は、この誤差を許容するに適した、折返し装置と調整部材とからなる誤差に敏感でない配置の導出を容易化する。

基本的に二つの試みを、調整誤差を取り込むために検討することができる。一方は直接的な方法で、例えば誤差の影響を受けた折返し装置を通過したビームの帰路によって、この誤差を補正することが可能である。かかる帰路は、例えばビームをその後方に反射するか、または少しずらして反射する曲面ミラーによって、折返し装置の反射部材から全角度に渡って発生する。

他方、ビーム経路は、誤差を適正に補正していないレーザー条件の影響を受ける。この範囲まで誤差は受け入れられるが、その結果は補償され、誤差が解消される。この解決策は、例えば折返し装置を空洞の一端に位置合わせするようにして共振器内部に設置し、その後方に焦点がｆ＝２・Ｎ・Ｌ／２のレンズを配置し、平面終端ミラーをその空洞端部に配置することで実現することができる。

正しくレンズの焦点距離を選択し、即ちｆ＝Ｎ・Ｌとし、レンズの位置を正しく設定し、即ち折返し装置のすぐ後ろに設けるようにすると、調整誤差が発生してもレーザー条件が影響を受けない状況を創出できる。従って、誤差の有無に関らず、レーザー発振装置はその機能を制限されない。

このようにして、レーザー出力は調整誤差や他の通常の位置からのずれから独立となり、また折返し装置は角度ずれに対し敏感では無くなる。これは、少なくとも小さいδに対し、ビームのずれが光学部材の開口部、特にレンズの絞りの範囲内である限りにおいて、有効である。一枚レンズに代えて、当業者は同等の効果を有する一般的ＡＢＣＤ光学システムを導出することができるであろう。

例えば、折返し装置の中を、対称的な経路を２回横断した場合、調整誤差の結果としてのビームのずれと傾きは、ｆ＝２・Ｎ・Ｌ／４＝Ｎ・Ｌ／２の適正なレンズを選択すると、２回目の通過時にレンズによって誤差がキャンセルされるため、最小にすることができる。この対称的な経路に対する例は、特別に配置された非対称な経路に対しても同様に適用できる。当業者はまた、レンズの代わりに等価な光学部品又は同様な誤差補償効果を有するシステムを導入することができるであろう。このシステムは、複数のレンズと、曲面ミラーと、経路部分とによって構成することができる。共振器に補正済みの折返し装置を組み入れる場合、当業者は一般的に、感度を落とすために設計された上記配置ではなく、レーザーモードに関し安定していると同時に、レーザー媒質や過飽和吸収体といった重要なレーザー部品の上に適正なレーザーモード半径を有する共振器を形成しようとするであろう。

調整誤差に関する感度を落とすため設計されたこれらの考え方と測定法は、空洞で用いられる折返し装置に限らず、空洞の外側の配置にも適用することができる。補償と誤差解消効果は、正の角度を有する反射部材だけでなく、本発明によれば、平面平行ミラー対のような厳密に平行な経路を有する構成においても適用可能である。

本発明に係る折返し装置と、それによって実現することができるレーザー発振装置は、以下に純粋に例として記述し、実施例の概略は図面に現す。

図１において、折り返しミラーを全長を削減するために用いた従来のレーザー設備が記載されている。このレーザーは本質的に、例えばコリメーティングレンズ２とフォーカシングレンズ２’からなる透過性光学部品を通して、レーザー媒質３を励起するレーザーダイオードのようなレーザー励起源１からなり、ここでレーザー媒質３はレーザー共振器の構成部材であって、その共振器の一端を構成してもよい。第二レーザー励起源１’が光がプリズム４を通りもう一方の側からレーザー媒質３に入射するために用いられる。ビーム経路はこのプリズム４によって共振器の折り返し部Ｆへ導入される。このＦ部には、連続した特定の位置に折り返しミラー５が組み込まれており、長い自由ビーム経路を縮減して、コンパクトなベース領域を形成している。多数の折り返しミラー５と正確な位置合わせとの要求が、この設備を複雑で誤差や障害、又は周囲の環境に敏感なものとしている。

図２に本発明に係る折返し装置の第一実施例における２枚の反射面間に生じる反射の連続を示す。本例において折返し装置は、この図の右側から到来する入射ビームが複数回の反射の後に右方向に反射して戻るように配された相互に角度を有する２枚の反射部材６、６’により形成されている。二枚の部材６、６’の表面からの法線は、図に破線で示したように傾斜している。２枚の部材の位置によって、表面からの法線とビームとの角度は、ビームの角度がほとんど法線と同じになるまで、右から左へ向かって徐々に小さくなる。

入射角が表面法線に近づいた状況を、図３に示す。部材６の表面に入射したビームＥＳは、出射ビームＡＳとして部材６’表面で伝播方向の反対方向に反射して戻される。部材６と６’間の距離は、一定の比率で描かれていないが、本発明に係る動作モードを示すように選択されている。

図４には、本発明に係る折返し装置の第一実施例における想定されるビーム経路を概略的に示している。入射ビームＥＳ（実線）は２枚の部材６，６’間を多重反射し、一方反射点間の距離は、伝播方向と逆方向へ反射する逆転位置にいたるまで連続的に減少して、入射ビームと同様な経路を通って出射ビームＡＳ（破線）として折返し装置から外へ出現するようになっている。本実施例において、多重反射が反射層を通る頻繁な通過と、対応する分散補正をもたらすように、二枚の部材６と６’のうち一つを、又は反射層の上部を分散特性を有する層とすることができる。

図５に、入射ビームの入射方向へ出射ビームＡＳを反射する偏向ミラー７を付加した図４の折返し装置を示す。偏向ミラー７の向きに依存して、コンパクトな構造のレーザー装置が可能になるように、出射ビームを収容する装置の位置を選択することができる。

図６には、図５の偏向効果を折返し装置に一体化する方法を示す。長さの異なる２枚の部材６と６’を選択する。これにより折返し装置は非対称な設計となる。部材の一つが出射ビームＡＳを入射ビームＥＳと略平行になるように反射することで、ビームの入射と出射が折返し装置の同じ側で起きるようになる。

本発明に係る図５の偏向ミラーの効果を折返し装置内へ集積する方法を、図７に示す。ここで部材６’’は部材６’よりも長く、２枚の平面セクタを平面からの法線に対する角度が異なるように有している。分離偏向ミラーの動作は、このように１枚の部材６’’に集積される。

図８は、水平方向に連続する折返し装置の第一と第二実施例の組み合わせを示している。２台の折返し装置は互いにその開口部が対向し、ここではより大きな開口部を対向させている構造であると解することができる。左側に配した第一実施例の折返し装置を通過して、ビームは第二実施例の折返し装置に入射し、そこで内部を通過した後、出力される。再び第二実施例の折返し装置を用いて入射ビームＥＳと出射ビームＡＳとを、組み合わせた折返し装置の同じ側から入射および出射させるが、これらのビームは平行ではない。更なるコンポーネントを付加したり、異なる設計や配置の折返し装置を用いたりすることによって、他の特別に着想したビーム経路を生成することができる。このように、本発明によれば、折返し装置は複数の異なる平面を互いの上部に配置しても、カスケード接続で互いにずらして配置しても良い。

図９に本発明に係る折返し装置の第４実施例を示す。図４の場合と同様に、ビーム経路はモノリシック本体８の内部であり、本体８内部即ちその境界面で反射が生じる。この効果を得るために、モノリシック本体８は台形縦長断面を有し、入射ビームＥＳは広い側から入射し、反射を繰り返した後、伝播方向を反転させ、この同じ側から出射する。このモノリシック本体８の材料は、例えば特別な分散特性を有し、又はレーザー媒質を材料としてもよい。応用分野としては、これは例えば顕微鏡レンズのマルチフォトン結像のための収集等において、分散の事前補償に用いられる。モノリシック本体８の材料を適当に選ぶことで他への応用、例えば光パラメトリック発振器（ＯＰＯ） 又は、マルチ周波数分野における非線形光学効果等への応用も可能である。しかし、例えば機械的強度の長所を利用したい状況において光学ガラスを用いる場合など、たとえ特別な材料を用いなくても、本発明に係る折返し装置を放射に影響を与える目的に用いることができる。

図１０に、四番目の実施例に基づきモノリシックに設計され、図６に類似した方法で変更された、本発明に係る折返し装置の５番目の実施例を示す。台形縦長断面の代わりに、本実施例ではブリュースター窓を入口又は出口に用いている。出射ビームＡＳは入射ビームＥＳよりー回多く反射し、従ってブリュースター窓９に対する角度は、界面を通る経路が似てはいるが入射ビームＥＳと同じではない。そしてこれが理由で、ブリュースターの法則は単ー面において両方のビームに対して正確には保持することができない。更に、２つのビームは少し分散している。しかし、本実施例には、容易に実現可能という長所がある。

図１１にブリュースター窓９’を反射条件に適応させる方法を示す。ブリュースター窓９’を互いに相手に対し角度をもった２枚の平面セクタに分割すると、入射ビームＥＳと、出射ビームＡＳで向きの異なるものを得ることができる。本体８’’の長手方向軸に対し異なる角度を有するこれら２つのセクタを用いることによって、ブリュースター条件を入射ビームＥＳと出射ビームＡＳの両方に対し満足させることができる。

図１２に入射ビームＥＳと出射ビームＡＳがー致する変型例を示す。モノリシック本体８’’は図7に示された実施例と類似の方法で構成されている。この目的のために、本体８’’の反射側面は互いに角度がついた２枚の平面セクタを用いて設計され、出射ビームの最後の反射が、例えばモノリシック本体８’’の適切に研磨した断面からなる出口窓によって角度を変更できるようになっている。この角度で反射した後、出射ビームＡＳは入射ビームＥＳ方向に反射するように出口窓を通過する。

図１３にレーザー設備における本発明に係る折返し装置の使用例を示す。ここではいくつかの構成部材のみを示すレーザー装置は、例えばレーザーダイオードからなる励起源１を有し、励起源１は、コリメーティングレンズ２とフォーカシングレンズ２’からなる透過性光学部品を通して、レーザー媒質３を励起する。レーザー媒質３で生成された後に、ビームはいくつかの偏向ミラー７で反射された後、折返し装置へガイドされる。これらの偏向ミラー７は、ビームをガイドして、折返し装置へ入射するために用いられる。２枚の部材６ａ、６ｂを備えた折返し装置において、入射ビームＥＳは多重の前後方向反射をくり返して、折り返しビーム経路を形成する。折返し装置を通過した出射ビームＡＳは、追加の偏向ミラー７’によって折返し装置へ戻され、取り出しミラー７”によって折返し装置内をー方向に通過して共振器の外へ取り出される。この例において、付加偏向ミラー７’は出射ビームＡＳが単に２回折返し装置内で反射するように方向付けられている。この例において折返し装置はレーザー共振器内部に設置されているが、本発明に係る折返し装置の用途の可能性は、この構成に限定されず、設備に複数の折返し装置を備えてもよく、共振器の外側に更に設けてもよい。

図１４は、レーザー媒質３’又は他の活性物質の本発明に係る折返し装置の第１実施例のビーム経路内部における可能な配置を示す概略図である。入射ビームＥＳ（実線）は、連続的に反射間隔を狭めながら、２枚の部材６、６’間を多数回反射するが、各反射毎にー度レーザー媒質３’を通過する。折返し装置とレーザー媒質３’を通過した後、出射ビームＡＳは出射する。

図１５に誤差補償のための調整部材の第１の具体例を備えた本発明に係る折返し装置の概略を示す。２枚の反射部材６、６’からなる折返し装置に入射した入射ビームＥＳは、少しの初期調整誤差が多数回の反射によって増幅又は累積されている間、多数回反射を繰り返す。しかし、誤差の影響を受けたビーム経路を、たとえ誤差が発生してもすべてのシステム要件を満足することで、ガイドすることができる。第１具体例において、誤差は反射部材６、６’の後ろで１か２の湾曲面からなるミラー１０を通ることで訂正される。このミラー１０は、安定した出射ビームＡＳがその垂直中央に入射するように位置合わせされる。ミラー１０の曲率半径は、誤差によるこの垂直中央からの偏りが誤差を訂正するような反射方向となるように選択する。ここでミラーは球面であっても、非球面であっても、非点収差補正型であっても、又は面ごとに異なる曲率半径であってもよく、例えば反射部材６、６’の表面と平行でも、直角であってもよい。たとえ垂直方向の偏りが僅かであっても、平面ミラーはもはやビームを正確に反射しない。適正な曲面のミラー１０を用いることで、調整誤差によって生じた偏りがあるのにも関わらず、出射ビームＡＳは自らへ又は僅かにずれたところへ反射して戻ってくる。

図１６に本発明に係る折返し装置における調整誤差があった場合の幾何学的状態を示す。本発明に係る折返し装置において、調整誤差があった場合に、誤差は多重反射によって積算される。折返し装置が空洞内に設置されている場合、レーザー条件の妨害と同程度に大きな問題が生じるおそれがある。図１６が調整誤差を図示し、説明している。この中で、αは垂直又は他の角度に向いた折返し装置の反射部材における入射角であり、δが調整誤差であるところの反射部材の向きにおける誤差角度であり、Ｌが反射部材間の距離、ＰがＮ回の通過後の反射部材上の衝突点である。図１６から、以下の関係が明らかである。ｎ回通過後の誤差角度として

反射部材における誤差角度δに対するＮ回の通過による総偏差として

Ｎ回の反射の後に誤差角度が２・Ｎ・δとなるのは明らかであり、理想的な誤差の無いビームガイド軸に対するこの角度は折返し装置内で蓄積され衝突点Ｐにおけるビームに反映している。小さな誤差角度δを仮定した場合、Ｎ回の反射の後の理想のビームと誤差の影響を受けたビームとの交点は、従ってＰ点から以下に与えられる距離を有する。

そしてこれは誤差角度δとは独立である。

調整誤差の原因である調整部材の数は、この理解を基に設計される。例えば、図１５の曲面ミラーは、曲率半径Ｒ＝（Ｎ＋１）・Ｌを有し、Ｐ点での調整部材として設置することができる。このミラーは折返し装置を通してビームを自らの方向へ反射し、または僅かにずれた向きへ反射して、もう一度理想ビーム経路から同じだけ偏った経路を取らせるようにしている。曲率半径のこの条件は、理想ビームと誤差の影響を受けたビーム間の交点郡を１：１の像にする効果を有する。これは、あらゆる誤差を補償するために用いることができる。

別の可能性は、平行ビームにする部材のＰ点への導入であり、例えば図１８のコリメーティングレンズを用いる。このレンズの焦点距ｆは、ｆ＝（Ｎ＋１）の式に従って選択される。代替案としては、曲率半径Ｒ＝２・（Ｎ＋１）・Ｌの湾曲コリメーティングミラーを用いることもできる。誤差の解消は、誤差角度δに依存しない。

ガウシアン基本モードで安定した動作をさせるためには、誤差補償のための折返し装置付き共振器に調整部材を一体化する設計と、共振器の光学系の調整が必要である。１台ごとに実施する必要のあるこの調整は、例えばLasers by Siegman, A. E., University Science Books, 1986, ISBN 0935702113に記載の行列数学によって計算することができる。

図１７Ａから図１７Ｃは、調整部材の第一の具体例の機能を概略的に示している。図１７Ａは、調整誤差なく位置合わせされた折返し装置を通るビーム経路を示す。出射ビームＡＳは、正確にミラー１０の垂直中央に突き当たり、自身に向かって反射して戻る。図１７Ｂに、より急峻な角度で反射を生じさせ、最後の反射点を折返し装置の内部に向かって移動する効果を有する第一調整誤差の影響を示す。これにより出射ビームＡＳがミラー１０の中央より離れた位置に突き当たっても、元の経路に戻され、反射部材６’に向かって反射する。調整誤差の補償として、上記と逆向きの効果の例を図１７Ｃに示す。誤差に影響されたため、最後の反射点は誤差の無い反射点より外側である。ミラー１０は、再び後方反射を生じさせる。ここで表現しているものは、まったくの概略にすぎない。

図１８は、調整部材の第二具体例を含む本発明に係る折返し装置の概略図である。本実施例では、誤差訂正は反射部材６、６’の後方に連続したレンズ１１とミラー１２によって行われる。レンズ１１は最後の反射部材６’からその焦点距離だけ離れて配置され、出射ビームがレンズ１１によって平行ビームとなる。これは、例えば共振器の最後のミラーのひとつでもよい後方のミラー１２が、ビームが法線に沿って入射するというレーザー条件を満足していることを意味する。

図１９Ａから１９Ｃでは、第二具体例の機能を図式的に説明している。図１９Ａは、誤差調整の無いように位置あわせされた折返し装置のビーム経路を示している。出射ビームＡＳは、光軸上のレンズに突き当たり、ミラー１２まで反射なく通過する。図１９Ｂは、最後の反射点を折返し装置の内側方向へ移動させる第一調整誤差の影響を示し、これにより反射はより急峻な角度で発生する。このことは、出射ビームＡＳが光軸の外側でレンズ１１に突き当たり、このレンズによって平行ビームとなることで、レンズ後方でビーム経路は光軸と平行で、ミラー１２においてレーザー条件を満足し続けていることを意味する。このように、誤差の直接的な補償は発生しない。本実施例では、調整部材は調整誤差が折返し装置により解消される結果を得る効果を有する。図１９Ｃは、上記と反対側の調整誤差を取り込む方法を示している。誤差に影響された場合、最後の反射は影響を受けない場合の反射点範囲の外側になる。レンズ１１は再びビームを平行にし、位置を変化させ、結果的にビーム経路を補償する。ここでレンズ１１の正確な形状は、折返し装置の特定の幾何学形状に依存し、またレンズ１１とミラー１２からなる調整部材の位置に依存する。

図２０Ａと２０Ｂは、折返し装置の調整誤差のためのビーム経路調整の概略図である。

図２０Ａは、湾曲ミラー１０を有する調整部材の第一具体例の効果を説明している。この図は、終端ミラー１４から折返し装置を通ってミラー１０での反射に続き、同じ終端ミラー１４に反射によって戻る、長さに依存した共振器のレイアウトを示している。このように、この図は折返し装置を通る２つの折り返し経路の横断図を示している。折返し装置内部の極細線で現された箱は、ミラー１０で発生する後方への反射も含めた多重反射１３の領域に対応する。垂直方向において、調整誤差が無い場合のビーム経路に対する離脱範囲が純粋に図式的に現されている。多重反射領域１３において、誤差がますます蓄積され、ミラー１０による適当な後方反射の後に、段階的に再分散している。誤差補償を通して、調整部材を含む折返し装置は終端ミラー１４のところで、誤差を調整して誤差を解消している。

図２０Ｂに調整部材の第二具体例の状態図を示す。再び共振器の終端ミラー１４を示す。しかし、折返し装置を通る水平方向に２回折り返した経路は見られない。この具体例の左手のビーム経路終端部は、調整部材のミラー１２により構成されている。ここで、調整で生じた誤差は補償されないが、レンズ１１がビーム経路に影響を与え、結果的に誤差が常に無くなり、ミラー１２でのレーザー条件を満足する。

開示された図面は、多数の実施例の一つを代表するものであり、当業者はレーザー構造の代替物、例えば他のレーザー設備や共振器や構成部品を導出することができるであろう。特に、実施例と異なる設計の折返し装置を提供することが可能であり、例えば断面間の角度を変えた反射面を提供したり、要求される構成部品を異なる方法で配置することができる。

また、ビーム経路に示された角度は、例えばブリュースター法に関する部分など、異なる実施例の特定の具体化結果を説明するために用いられており、正確な物理的条件を図面で現したものでは無い。特に、量的又は幾何学的制限に関する情報は、これらから導出することはできない。

複数の連続した折り返しミラーを含む従来例のレーザー発振装置の構造の概略図である。 ２枚の反射面間の反射の様子を示す概略図である。 伝播方向の反転位置におけるビーム経路を示す概略図である。 ２枚の反射部材を備えた本発明に係る第一折返し装置を示す概略図である。 付加的な偏向ミラーを備えた本発明に係る第一折返し装置を示す概略図である。 非対称形状を有する本発明に係る第二折返し装置の概略図である。 非対称形状を有し、２枚の本発明に係る平面セクタを備えた第三折返し装置の概略図である。 水平方向に整列した連続した本発明に係る折返し装置の概略図である。 モノリシックに設計された本発明に係る第四折返し装置の概略図である。 ブリュースター窓を備えモノリシックに設計された本発明に係る第五の折返し装置の概略図である。 二つ折りのブリュースター窓を備えたモノリシック設計の本発明に係る第六折返し装置の概略図である。 ２枚の平面セクタを備えモノリシックに設計された本発明に係る第七番目の折返し装置の概略図である。 本発明に係る折返し装置を含むレーザー設備の概略図である。 本発明に係る折返し装置の面間に存在するレーザー媒質の配置を示す概略図である。 調整部材の第一具体例を有する本発明に係る折返し装置の概略図である。 本発明に係る折返し装置に調整誤差が発生する場合の幾何学的条件を示す。 調整部材の第一具体例の機能を示す概略図である。 第二の調整部材を備えた本発明に係る折返し装置の概略図である。 調整部材の第二具体例の機能を示す概略図である。 ビーム経路の調整に対する折返し装置の調整誤差を示す概略図である。

Claims (22)

1. レーザービームのビーム経路を折り返すための少なくとも２枚の反射面（６、６’、６’’、６’’’）が設けられた折返し装置であって、
   ａ）前記反射面がそれぞれ一定の開口角で相対して設けられ、
   ｂ）前記レーザービームが前記反射面（６、６’、６’’、６’’’）の一つあたり少なくとも二回反射される角度で設けられ、
   ｃ）前記ビーム経路が、前記折返し装置へ入射するビーム経路と、前記折返し装置から出射するビーム経路と、で構成され、そして、
   ｄ）前記相対する２枚の反射面が、レーザーシステムへの導入前に、０度より大きな開口角で互いに対して調整されており、当該２枚の反射面の位置によって、前記折り返し装置へ入射するビーム経路において、表面からの法線とビームとの角度は、ビームの角度が前記法線と完全に一致することなく、ほとんど同じになるまで、ビームの入射側からビームの伝播方向において徐々に小さくなり、
   入射ビーム部分と出射ビーム部分とは分けられており、それぞれ異なるビーム経路を辿る、
   ことを特徴とする折返し装置。
2. 前記反射面間の少なくとも１面が、前記折返し装置の少なくとも一つの構成部品の外側の面又は内側の面又は境界面として形成されていることを特徴とする請求項１に記載の折返し装置。
3. 前記折返し装置が、単体部品として設計されていることを特徴とする請求項１又は２記載の折返し装置。
4. 前記折返し装置が、モノリシック体（８、８’、８’’、８’’’）として設計されていることを特徴とする請求項３に記載の折返し装置。
5. 前記折返し装置が、少なくとも一つのブリュースター窓（９，９’）を有していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の折返し装置。
6. 前記折返し装置が、少なくとも２枚の隣接する前記ブリュースター窓を有していることを特徴とする請求項５に記載の折返し装置。
7. 前記折返し装置がレーザー媒質を有するか、前記レーザー媒質により構成されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の折返し装置。
8. 前記反射面（６、６’、６’’、６’’’）の第一面（６、６’、６’’、６’’’）が、第二面とビーム入出射側において長さが異なることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の折返し装置。
9. 前記第一面（６’’’）は前記面（６）の平坦な部分に対しビームの入出射側に設けられた角度を有する少なくとも一つの断面で構成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の折返し装置。
10. 前記ビーム経路の調整誤差を修正するための調整部材が設けられていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の折返し装置。
11. 前記調整部材が、レーザービームを元の方向へ、又は僅かにずれた位置へ戻し反射する角度に設計されていることを特徴とする請求項１０に記載の折返し装置。
12. 前記調整部材が、曲面ミラー（１０）によって構成されていることを特徴とする請求項１１に記載の折返し装置。
13. 前記調整部材が、前記レーザービームが平行となって共振器ミラー（１２）にガイドされる角度に設計されていることを特徴とする請求項１０に記載の折返し装置。
14. 前記調整部材が、屈折部材（１１）によって構成されていることを特徴とする請求項１３に記載の折返し装置。
15. 前記２つの反射面のうちの少なくとも１つの反射面は、非線形の光学効果を形成する構造体として設計されていることを特徴とする請求項１から１４までのいずれか１項に記載の折返し装置。
16. 請求項１から１５のいずれか１項に記載の折返し装置をレーザーパルスの伸長又は圧縮のために用いることを特徴とするレーザー発振装置の配置。
17. 請求項１から１５のいずれか１項に記載の折返し装置が、少なくとも二つ設けられていることを特徴とする請求項１６に記載のレーザー発振装置の配置。
18. 前記少なくとも二つ設けられた折り返し装置が、直列に配置されていることを特徴とする請求項１７に記載のレーザー発振装置の配置。
19. 前記折返し装置ヘレーザービームを導入又は導出するための少なくとも一つのミラー（７）が設けられたことを特徴とする請求項１７または１８に記載のレーザー発振装置の配置。
20. 前記少なくとも１つのミラー（７）が、調整可能に設けられていることを特徴とする請求項１９に記載のレーザー発振装置の配置。
21. 前記折返し装置が、前記レーザー共振器の一端に設けられたことを特徴とする請求項１７から２０のいずれか１項記載のレーザー発振装置の配置。
22. 前記レーザー発振装置の配置が、再生増幅器として設計されていることを特徴とする請求項１７から２１のいずれか１項記載のレーザー発振装置の配置。

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