JP5094764B2

JP5094764B2 - レーザ装置

Info

Publication number: JP5094764B2
Application number: JP2009037507A
Authority: JP
Inventors: 順一西前; 達也山本; 聡西田; 健二熊本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-02-20
Filing date: 2009-02-20
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2029-02-20
Also published as: JP2010192791A

Description

本発明は、ラジアル偏光またはアジマス偏光を有するレーザビームを発生するためのレーザ装置に関する。

光と物質の相互作用において、光の偏光状態によって吸収率などの特性が変化することは広く知られている。レーザ光によって物質の加工や操作を行うレーザ装置において、レーザ光の偏光状態は重要なパラメータである。近年、軸対称の偏光で物質への吸収率が高いラジアル偏光（光軸から半径方向に沿った偏光）や、逆に吸収率が低いために物質の深い領域にまでレーザが到達するアジマス偏光（光軸の周囲方向に沿った偏光）が注目され、その発生方法に関する研究開発が進展している。

従来の軸対称ビームを発生する方法としては、複屈折材料を用いたビーム・ディスプレーサなどを用いてビーム経路を２分する方法が提案されている（例えば、特許文献１）。また、微細な軸対称凸凹構造を用いた光学素子による方法が提案されている（例えば、特許文献２）。また、円錐型のプリズム（例えば、特許文献３）や円錐型の反射ミラー（例えば、特許文献４）を用いた方法なども知られている。

特表２００３−５０９８７１号公報（２７頁８行〜２７行、図３）米国特許第６１９１８９０号（４頁８行〜５頁１４行、図２）米国特許第５３５９６２２号（２頁４２行〜４頁５行、図１）特開平３−６２５７９号公報（３頁２段１５行〜４頁３行、第２図）

従来の軸対称偏光ビームを発生するレーザ装置において、例えば、特許文献１の手法では、ビーム経路の分割にビーム・ディスプレーサやビーム・スプリッタ、偏光子などのビームを透過させる素子を用いるために、高出力動作において素子の熱歪によって動作が不安定になる問題点がある。特許文献３の手法も、特許文献１と同様に透過型素子を用いるために、素子の熱歪によって高出力の動作が不安定になる問題点がある。

特許文献２の手法では、微細凹凸構造の精度の良い作成が困難であるため、レーザ装置の動作が一定しないという問題点がある。

特許文献４の手法では、レーザ装置が角度調整（アライメント）に対して敏感なため、安定動作が困難であるという問題点がある。

本発明の目的は、上記のような問題点を解決するために、安定した高出力の軸対称偏光ビームを発生できるレーザ装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ装置は、
複数のミラーからなる共振器と、
共振器の内部に配置され、光増幅作用を有するレーザ媒質と、
共振器の内部に配置され、共振器の光軸を折り曲げる折り曲げミラーとを備え、
共振器内でのレーザ光は、第１偏光成分および、該第１偏光成分と直交関係にある第２偏光成分を有し、
折り曲げミラーの反射面には、第２偏光成分と比べて第１偏光成分に対してより高い反射率を有する第１領域と、第１偏光成分と比べて第２偏光成分に対してより高い反射率を有する第２領域とが設けられることを特徴とする。

本発明によれば、折り曲げミラーの反射面に、第１偏光成分に対して高い反射率を有する第１領域と、第２偏光成分に対して高い反射率を有する第２領域とを設けることによって、軸対称の偏光成分であるラジアル偏光またはアジマス偏光を有するビームを発生できる。また、偏光を制御する素子が反射型であるため、熱歪が小さく、高出力動作に適しており、安定した高出力のビームを発生できる。

本発明の実施の形態１によるレーザ装置を示す構成図である（ラジアル偏光）。本発明の実施の形態１によるレーザ装置を示す構成図である（アジマス偏光）。比較例として従来の一般的なレーザ装置を示す構成図である。金属ミラーの反射特性を示すグラフである。開口部材における空間横モードの通過率を示すグラフである。従来のレーザ装置における１次の空間横モードの説明図である。ラジアル偏光ビームの発生メカニズムの説明図である。アジマス偏光ビームの発生メカニズムの説明図である。折り曲げミラーの反射率を、多層膜技術を用いて制御する例を説明するグラフである。本発明の実施の形態２によるレーザ装置を示す構成図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるレーザ装置を示す構成図である。レーザ装置は、レーザ媒質１と、ミラー２，４からなる共振器と、折り曲げミラー３などで構成される。ここでは理解容易のため、折り曲げミラー３の反射面を平面図として併記している。

レーザ媒質１は、光励起や放電励起など各種励起手段によって励起されて光増幅作用を示す媒質で構成される。レーザ媒質１を共振器の内部に配置した場合、光がミラー２，４の間で往復しながらレーザ媒質１により増幅されて、高出力のレーザ光が実現する。

ミラー２は、一般には部分反射ミラーとして構成され、共振器内部で増幅されたレーザ光を外部に取り出す機能を有する。ミラー４は、一般には全反射ミラーとして構成され、共振器内部にレーザ光を閉じ込める機能を有する。ミラー２，４の面形状は、平面あるいは所定の曲率を有し、共振器内で所望の発振モードが得られるように設計される。

折り曲げミラー３は、共振器の内部に配置され、共振器の光軸を折り曲げる機能を有する。ここでは、１個の折り曲げミラー３を配置した場合を例示するが、複数の折り曲げミラー３を共振器内部に配置することも可能である。

共振器の内部には、開口部材５を設けることが好ましい。開口部材５は、共振器内で増幅されるレーザ光の空間横モード、好ましくは１次の空間横モードを選択する機能を有する。ここでは、１個の開口部材５を配置した場合を例示するが、複数の開口部材５を共振器内部に配置することも可能である。

共振器内でのレーザ光は、一般に、第１偏光成分および、該第１偏光成分と直交関係にある第２偏光成分を有する。例えば、図１に示すように、折り曲げミラー３に関して入射光の光軸と反射光の光軸を含む入射面が定義され、この入射面に対して平行な偏光方向であるＰ偏光と、入射面に対して垂直な偏光方向であるＳ偏光とが存在し得る。このとき共振器内部に偏光子や波長板などの偏光制御素子を設置した場合、所望の偏光成分、例えば、Ｐ偏光Ｓ偏光、右回り円偏光または左周り円偏光だけの偏光成分を有するレーザ発振に限定できる。

本実施形態では、折り曲げミラー３の反射面に、第２偏光成分と比べて第１偏光成分に対してより高い反射率を有する第１領域と、第１偏光成分と比べて第２偏光成分に対してより高い反射率を有する第２領域とを設けている。こうした構成によって、アジマス偏光またはラジアル偏光だけの偏光成分を有するレーザ発振に限定することが可能になる。

例えば、図１に示すように、折り曲げミラー３の反射面において、光軸と交差する点を中心として、入射面に垂直な第１軸線６上に一対のＳ偏光優先反射領域７を対称に配置し、一方、第１軸線６と直交する第２軸線上に一対のＰ偏光優先反射領域８を対称に配置している。Ｓ偏光優先反射領域７は、Ｐ偏光と比べてＳ偏光に対してより高い反射率を示す。Ｐ偏光優先反射領域８は、Ｓ偏光と比べてＰ偏光に対してより高い反射率を示す。

こうした構成により、Ｓ偏光を有する空間１次モードとＰ偏光を有する空間１次モードとが同じ光軸上に発生するようになり、互いに直交関係を有する偏光成分の空間１次モードが重なることによって、軸対称の偏光成分であるラジアル偏光を有するビームを発生する。

一方、図２では、折り曲げミラー３の反射面において、光軸と交差する点を中心として、入射面に垂直な第１軸線６上に一対のＰ偏光優先反射領域８を対称に配置し、一方、第１軸線６と直交する第２軸線上に一対のＳ偏光優先反射領域７を対称に配置している。

こうした構成により、Ｓ偏光を有する空間１次モードとＰ偏光を有する空間１次モードとが同じ光軸上に発生するようになり、互いに直交関係を有する偏光成分の空間１次モードが重なることによって、軸対称の偏光成分であるアジマス偏光を有するビームを発生する。

本実施形態では、偏光制御素子として反射型の折り曲げミラー３を採用しているため、熱歪が小さく、高出力動作に適しており、安定した高出力のビームを発生できる。

また、１次の空間横モードを選択するための開口部材５を配置することによって、軸対称偏光を有する固有モードの中で最も集光性の高い１次の空間横モードを効率よく発生できる。

また、第１軸線６上、および第１軸線６と直交する第２軸線上に、Ｓ偏光優先反射領域７またはＰ偏光優先反射領域８を配置することによって、共振器光軸の折り曲げ方向と折り曲げミラー３の偏光選択動作の軸が一致することになり、偏光選択の制御性が向上し、軸対称偏光ビームを安定して発生できる。

また、折り曲げミラー３の反射面には、領域７の反射率と領域８の反射率の中間の反射率を有する中間領域９を領域７，８以外に配置することが好ましい。これにより空間横モードと偏光モードが１対１で対応し、純度の高い軸対称ラジアル偏光またはアジマス偏光を安定して発生できる。

また、折り曲げミラー３の反射面は、多層膜で構成することが好ましい。多層膜は、レーザ吸収の小さい誘電体などを用いて形成できる。これにより高出力レーザ用の反射ミラー作成技術として成熟した技術である多層膜技術を用いて、軸対称偏光ビームを発生するための光学素子を低コストで作成できる。

また、折り曲げミラー３の反射面は、各領域７，８における反射光の位相変化が同一となるように多層膜で構成することが好ましい。これにより直交する偏光の重ね合わせにおいて、回転偏光成分の少ない純度の高いラジアル偏光またはアジマス偏光モードを発生できる。

図３は、比較例として従来の一般的なレーザ装置を示す構成図である。ここでは、折り曲げミラー３の反射面には、図１や図２に示したＳ偏光優先反射領域７やＰ偏光優先反射領域８を設けていない。折り曲げミラー３は、例えば、高い反射率を有する金属などで構成される。

図４は、金属ミラーの反射特性を示すグラフである。縦軸は反射率であり、横軸は入射角である。例えば入射角４５度において、Ｓ偏光は、Ｐ偏光に比較して１％程度高い反射率を有する。従来のレーザ装置では、このような比較的小さな反射率の差によってＳ偏光はＰ偏光より優位に発振するようになり、折り曲げミラーにおけるＳ偏光に対応する直線偏光ビームが発生する。こうして１％程度の反射率差によって単一の偏光状態を有するレーザ発振に限定できる。しかしながら、図３に示すレーザ装置では、アジマス偏光またはラジアル偏光だけの偏光成分を有するレーザ発振に限定することはできない。

図５は、開口部材５における空間横モードの通過率を示すグラフである。縦軸は開口通過率であり、横軸は規格化開口径（＝開口径／０次モードのビーム径）である。開口部材５の開口径を適切に設定することによって、１次モードが選択できる。図５に示すように、数％程度の比較的小さな開口通過率の差によって、空間横モードを制御することができる。

図６は、従来のレーザ装置における１次の空間横モードの説明図である。軸対称の空間１次モードは、互いに直交する２つの基底１次モードの重ね合わせで表現できる。直交する２つの基底１次モードが重なり合うことによって、ドーナツ状の強度分布を有する軸対称１次モードが形成される。図３に示す従来のレーザ装置においては、直交する２つの基底１次モードが同一の直線偏光状態であるため、重ね合わせによるレーザ出力も直線偏光となる。

図４に示したように、偏光状態は比較的小さな反射率の差によって制御することができる。本発明においては、折り返しミラー３の反射面に、Ｓ偏光の反射率が高い領域７とＰ偏光の反射率が高い領域８を設けているため、その反射率の差によって、直交する２つの基底１次モードの偏光状態を別々の状態に制御することができる。

このとき、Ｓ偏光反射率の高い領域７とＰ偏光反射率の高い領域８との間に、両者の中間の反射率を示す中間領域９を設けることが好ましい。これにより僅かな反射率の差によって直交する２つの基底１次モードの空間基底軸が、偏光制御の軸と安定して一致することになる。

図７は、図１に示したレーザ装置でのラジアル偏光ビームの発生メカニズムの説明図である。図１の構成において、２つの基底１次モードの空間配置と偏光状態は、一対のＰ偏光優先反射領域８が上下に配置され、一対のＳ偏光優先反射領域７が左右に配置され、空間配置と偏光状態の両方が直交する２つの基底１次モードの重ね合わせによって、ドーナツ状の強度分布を有する軸対称のラジアル偏光ビームが発生する。

図８は、図２に示したレーザ装置でのアジマス偏光ビームの発生メカニズムの説明図である。図２の構成において、２つの基底１次モードの空間配置と偏光状態は、一対のＳ偏光優先反射領域７が上下に配置され、一対のＰ偏光優先反射領域８が左右に配置され、空間配置と偏光状態の両方が直交する２つの基底１次モードの重ね合わせによって、ドーナツ状の強度分布を有する軸対称のアジマス偏光ビームが発生する。

図９は、折り曲げミラー３の反射率を、多層膜技術を用いて制御する例を説明するグラフである。一般の折り曲げミラーはＳ偏光の反射率が高くなるのが通常である。しかし、多層膜技術を用いて層膜厚を適切に設計することによって、Ｓ偏光反射率を相対的に低下させて、Ｐ偏光反射率の絶対値を高くするとともに、Ｓ偏光反射率と比較しても適度に高くでき、偏光制御を実現するに充分な特性を得ることができる。

実施の形態２．
図１０は、本発明の実施の形態２によるレーザ装置を示す構成図である。このレーザ装置は、例えば、ＣＯ_２ガスなどのレーザ媒質１となるガス流１０の方向がＸ方向に、対向する放電電極１１，１２の間でレーザ媒質を励起する放電電流の方向がＹ方向に、共振器の光軸がＺ方向にそれぞれ設定されており、各方向が互いに略直交した三軸直交型のレーザ発振器を構成している。三軸直交型レーザ発振器は、高いエネルギー効率で高出力のレーザ光を発生できるという利点がある。

共振器は、全反射ミラーとして構成されたミラー４と、出力ミラーとして構成されたミラー２と、本発明に係る折り曲げミラー３と、折り返しミラー４１，４２とを備える。折り返しミラー４１，４２がミラー２，４の間の光路中に介在することによって、いわゆるＺ字型折り返し共振器を構成している。

折り曲げミラー３の近傍には、共振器内で増幅されるレーザ光の空間横モード、好ましくは１次の空間横モードを選択する機能を有する開口部材５が配置される。

折り曲げミラー３の反射面は、図１または図２に示した構成と同様に、第２偏光成分と比べて第１偏光成分に対してより高い反射率を有する第１領域と、第１偏光成分と比べて第２偏光成分に対してより高い反射率を有する第２領域とを設けている。こうした構成によって、アジマス偏光またはラジアル偏光だけの偏光成分を有するレーザ発振に限定することが可能になる。

三軸直交型のＣＯ_２レーザ発振器は、直交する２つの基底１次モードの基底軸が、ガス流方向と放電方向の軸に沿う性質がある。そのため本実施形態では、折り曲げミラー３の反射面に関するレーザ光のＳ偏光およびＰ偏光の各方向を、ガス流１０の方向および電極１１，１２の放電方向とそれぞれ略一致させることが好ましい。これにより折り曲げミラー３の反射面における中間領域が不要となり、折り曲げミラー３の製作が容易になり、安定した軸対称偏光ビームを発生できる。

また、ＣＯ_２レーザの波長は遠赤外の長い波長となるため、素子特性の確保に必要となる膜厚などの精度が緩和され、特性の揃った高性能の偏光制御素子の製作が容易になる。

本発明は、安定した高出力の軸対称偏光ビームを発生できる点で産業上極めて有用である。

１レーザ媒質、２，４ミラー、３折り曲げミラー、５開口部材、
６第１軸線、７Ｓ偏光優先反射領域、８Ｐ偏光優先反射領域、
９中間領域、１０ガス流、１１，１２放電電極、
４１，４２折り返しミラー。

Claims

複数のミラーからなる共振器と、
共振器の内部に配置され、光増幅作用を有するレーザ媒質と、
共振器の内部に配置され、共振器の光軸を折り曲げる折り曲げミラーとを備え、
共振器内でのレーザ光は、第１偏光成分および、該第１偏光成分と直交関係にある第２偏光成分を有し、
折り曲げミラーの反射面には、第２偏光成分と比べて第１偏光成分に対してより高い反射率を有する第１領域と、第１偏光成分と比べて第２偏光成分に対してより高い反射率を有する第２領域とが設けられることを特徴とするレーザ装置。
共振器の内部に配置され、レーザ光の１次の空間横モードを選択するための開口部材をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
折り曲げミラーの反射面には、光軸と交差する点を中心として、レーザ光の入射面に垂直な第１軸線上に一対の第１領域が対称配置され、第１軸線と直交する第２軸線上に一対の第２領域が対称配置されることを特徴とする請求項１または２記載のレーザ装置。
折り曲げミラーの反射面には、第１領域の反射率と第２領域の反射率の中間の反射率を有する中間領域が第１領域および第２領域以外に配置されることを特徴とする請求項３記載のレーザ装置。
折り曲げミラーの反射面は、多層膜で構成されることを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
折り曲げミラーの反射面は、各領域における反射光の位相変化が同一となるように多層膜で構成されることを特徴とする請求項５記載のレーザ装置。
レーザ媒質は、ＣＯ_２ガスであることを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
レーザ媒質となるガスの流れ方向と、レーザ媒質を励起する放電電流の方向と、共振器の光軸とが互いに略直交した三軸直交型であり、
レーザ光の第１偏光成分および第２偏光成分が直線偏光であって、第１偏光方向および第２偏光方向がガス流れ方向および放電方向と略一致することを特徴とする請求項７記載のレーザ装置。