JP5164151B2 - 軸対称偏光レーザー発振装置及び軸対称偏光レーザー発振方法 - Google Patents

Description

本発明は、軸対称偏光レーザー発振装置及び軸対称偏光レーザー発振方法に関する。

軸対称偏光レーザーは、光軸に対して偏光が対称となっているベクトルビームであり、光軸上で偏光の特異点を有しているためドーナツ状の強度分布を有する。また、特に、径方向軸対称偏光レーザーは強く集光した際に焦点付近に光軸に平行な強い電場分布が生じるため、光マニピュレーション、レーザー顕微鏡、プラズマ制御等への応用が期待されている。

軸対称偏光レーザーの発振に関する従来の技術として、例えば下記非特許文献１に、ＣＯ_２レーザーに偏光選択性回折格子ミラーを適用することにより軸対称偏光レーザーを発振する技術が開示されている。

Ｔｏｂｉａｓ Ｍｏｓｅｒら，ＡＰＰＬＩＥＤ ＯＰＴＩＣＳ，Ｖｏ．４５，Ｎｏ．３３，２００６

しかしながら、上記非特許文献１に記載の技術は、ＣＯ_２をレーザー結晶として用いているが、ＣＯ_２は熱光学特性が良好ではなく、安定した軸対称偏光モードの発生に向かない。

そこで、本発明は、上記課題をかんがみ、より安定的かつ容易に軸対称偏光レーザーが発振可能な方法及びそのための装置を提供することを目的とする。

本発明者らは上記課題を鑑み、鋭意検討を行なったところ、発振される光に含まれる直線偏光を円偏光に変化させて偏光選択性回折格子ミラーに入射させることで容易に軸対称偏光レーザーを発振できることを発見し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明の一つの切り口である軸対称偏光レーザー発振装置は、励起光を発するレーザーダイオードと、励起光を増幅するレーザー増幅器と、レーザー増幅器を挟んで配置される全反射ミラー及び偏光選択性回折格子ミラーを備え、レーザー光を発振する共振器と、共振器内に配置される１／４λ板と、を有する。

また、本発明の他の切り口である軸対称偏光レーザーの発振方法は、レーザーダイオードにより光を励起し、励起した光を１／４λ板に入射し、１／４λ板から透過した光を偏光選択性回折格子ミラーに入射する。

以上、本発明により、より安定な軸対称偏光レーザーが発振可能な方法及びそのための装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。ただし、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に示す実施形態に限定されるものではない。

（実施形態１）
図１に、本実施形態に係る軸対称偏光レーザー発振装置（以下「本装置」という。）の概略図を示す。本図で示すように、本実施形態に係る軸対称偏光レーザー発振装置１は、励起光２を発するレーザーダイオード１１と、レーザーダイオード１１から発せられた光を増幅するレーザー増幅器１２と、レーザー増幅器１２を挟んで配置される全反射ミラー１３１及び偏光選択性回折格子ミラー１３２を備え、レーザー光を発振する共振器と、共振器内に配置される１／４λ板１４と、を有する。

また、本装置は、上記構成のほか、１／４λ板１４とレーザー増幅器１２の間、レーザー増幅器１２と全反射ミラー１３１の間のそれぞれに、レーザー光を円形状にするためのシリンドリカルレンズ１５１、１５２がそれぞれ配置され、更に本装置は１／４λ板１４に入射される光の径を拡大するためのビームエキスパンダー１６が１／４λ板１４を挟んで配置されている。

本実施形態において、レーザーダイオード１１は、所望の波長を含む光を励起できる限りにおいて限定されるわけではなく、種々のレーザーダイオードを採用することができる。

本実施形態において、レーザー増幅器１２は、レーザーダイオード１１から発せられた光を増幅するためのものである。本実施形態においてレーザー増幅器１２は、１／４λ板１４により直線偏光を円偏光に変換することが容易にできるよう、直線偏光を発するレーザーダイオードであることが好ましく、例えばＮｄ：ＹＶＯ_４、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４などのＮｄイオンドープバナデート結晶を含むものであることが好ましい。特にＮｄ：ＹＶＯ_４を用いると高強度な直線偏光を得ることができる点において好ましい。

本実施形態において、１／４λ板１４は、直線偏光を円偏光に変換するための素子であり、この機能を有する限りにおいて限定されず公知のものを適宜採用することができる。配置としては、共振器内であれば効果を奏することができるが、直線偏光を確実に円偏光にしてから偏光選択性回折格子１３２に入射させるためにレーザー増幅器１２と偏光選択性回折格子１３２との間に配置しておくことが好ましい。

本実施形態において偏光選択性回折格子ミラー１３２は、一方の面に同心円状に凹凸が形成されたミラーであり、凹凸の周期は出射させる光の波長にあわせてある。概略図を図２に示しておく。本実施形態において、この偏光選択性回折格子ミラー１３は円偏光が入射されることでＴＥ−モードを励起し、この結果、周回偏光モードでレーザー発振を起こすことができる。なお、本実施形態に係る偏光選択性回折格子ミラーにおいて、大きさ、凹凸の数や材質等は所望の波長等により適宜調整可能である。

本実施形態において、全反射ミラー１３１は、レーザー増幅器から発振されるレーザー光２のうち、１／４λ板１４の側に入射されない方向の光、及び、偏光選択性回折格子ミラー１３２から反射した励起光の一部を反射させ、１／４λ及び前記偏光選択性回折格子ミラーに再び入射させる機能を有する。このようにすることで本装置は、全反射ミラー１３１と偏光選択性回折格子ミラー１３２との間で共振器を形成する。

本実施形態において、シリンドリカルレンズ１５１、１５２は、上記のとおりレーザーダイオードからの励起光を円形状にするためのものであり、特に限定はされず公知のものを適宜採用、調製することで実現できる。またビームエキスパンダー１６は、偏光選択性回折格子ミラー１３のアパーチャを有効に利用するためにレーザーモードサイズを調整することができるものであり、この機能を有する限りにおいて限定されるわけではないが、例えば対物レンズと平凸レンズとを組み合わせることで容易に実現可能である。

次に、上記の記載から明らかとなっているが、本装置を用いて軸対称偏光レーザーの発振方法について説明する。

まずレーザーダイオード１１により励起された光はレーザー増幅器１２で増幅され、一部が１／４λ板１４側に進み、他の一部が１／４λ板１４とは反対側に進む。１／４λ板１４に入射された光は、直線偏光成分が円偏光成分に変換され円偏光となる。そしてこの円偏光は更に偏光選択性回折格子ミラー１３に入射され、この光の一部がレーザー増幅器１２とは反対側の面から装置外に放出され、他の一部は再びレーザー増幅器１２側に反射される。なおこの反射された光は再び１／４λ板１４を通過して直線偏光となり、レーザー増幅器１２及び全反射ミラー１３１により反射され再び１／４λ板１４に入射され、更にその一部が装置外に、その他の一部が再びレーザー増幅器１２側に反射されこれが繰り返される。１／４λ板１４側の反対側に進む光は、全反射ミラー１３１により反射された後、上記した１／４λ板１４側に進む光と同様の経路をたどる。

以上の通り、本実施形態によると、レーザーダイオード、レーザー増幅器、１／４λ板、偏光選択性回折格子ミラー、全反射ミラーといった非常に簡易な構成によって軸対称偏光レーザー光を得ることができる。特に、本実施形態では強い直線偏光を用いて安定かつ容易に軸対称偏光レーザー光を得ることができるため、レーザーダイオードの選択の余地が広がり、例えば高強度のＮｄ：ＹＶＯ_４レーザー光を得ることができる。

以下、上記実施形態に係る軸対称偏光レーザー発振装置を実際に作製し、その効果を確認した。以下に示す。なおもちろん、上記実施形態に係る軸対称偏光レーザー発振装置は一例に過ぎず、以下に具体的に示す実施例に限定されるわけではない。

（実施例１）
図３に、本実施例に係る軸対称偏光レーザー発振装置の概略図について示す。本図に示すように、本実施例に係る軸対称偏光レーザー発振装置は、励起用半導体レーザーＬＤと、レーザー増幅器（１．０ａｔ％、Ｎｄ：ＹＶＯ_４、２０ｍｍ×５ｍｍ×２ｍｍ）Ａと、レーザー増幅器Ａから所定位置に配置された全反射ミラーＨＲＭと、全反射ミラーＨＲＭとレーザー増幅器の間に配置されるシリンドリカルレンズ（ｆ＝５０ｍｍ）ＣＬ１、レーザー増幅器と所定位置に配置され、下記表１に示される特性を有する偏光選択性回折格子ミラーＰＣＭ、偏光選択性回折格子ミラーＰＣＭと増幅器Ａとの間に配置されるシリンドリカルレンズ（ｆ＝５０ｍｍ）ＣＬ２、１／４λ板ＱＷＰ、更に１／４λ板ＱＷＰを挟んで配置されるビームエキスパンダー（×４．５）ＢＥを有して構成されている。なお、本実施例において、レーザー増幅器Ａの中心部と全反射ミラーＨＲＭの距離は３２０ｍｍとし、偏光選択性回折格子ミラーＰＣＭとレーザー増幅器の中心部との距離は５８５ｍｍとした。なおこの軸対称偏光レーザー発振装置から発振されるレーザーの波長は１０６４ｎｍとなっている。

そして、この軸対称偏光レーザー発振装置により出力される光の強度、形状について評価を行なった。この結果を図４、図５に示す。

図４は、本実施形態に係る軸対称偏光レーザー発振装置から出力される光の出力特性を示す図である。横軸は入力（Ｐｕｍｐ Ｐｏｗｅｒ（Ｗ））を、縦軸は出力（Ｏｕｔｐｕｔ Ｐｏｗｅｒ（Ｗ））をそれぞれ示している。本図で示すように、本実施例に係る軸対称偏光レーザー発振装置においてレーザー発振が確実に行なわれていることを確認した。

また図５は、軸対称偏光レーザーの形状を示す図であり、図５（Ａ）は全強度分布（偏光板配置せず）を、図５（Ｂ）は紙面縦方向の偏光を遮断した場合（縦方向の偏光成分を反射させる偏光板を配置した場合）におけるレーザーの形状を、図５（Ｃ）は紙面横方向の偏光を遮断した場合（紙面横方向の偏光成分を反射させる偏光板を配置した場合）におけるレーザーの形状を、図５（Ｄ）は、は紙面縦方向から時計回りに４５°傾いた方向の偏光を遮断した場合（縦方向から時計回りに４５°傾いた偏光成分を反射させる偏光板を配置した場合）におけるレーザーの形状をそれぞれ示す。この結果、本図で示すように、軸対称偏光レーザーとなっていることが確認できた。

本発明は、軸対称偏光レーザー発振装置として産業上の利用可能性がある。

実施形態におけるレーザー発振装置の概略を示す図である。 実施形態における偏光選択性回折格子ミラーの概略を示す図である。 実施例におけるレーザー発振装置の光学系を示す図である。 実施例におけるレーザーの出力特性を示す図である。 実施例における軸対称偏光レーザーの形状を示す図である。

符号の説明

１１…レーザーダイオード、１２…増幅器、１３１…全反射ミラー、１３２…偏光選択性回折格子ミラー、１４…１／４λ板、１５１，１５２…シリンドリカルレンズ、１６…ビームエキスパンダー

Claims (5)

1. 励起光を発するレーザーダイオードと、
   Ｎｄイオンドープバナデート結晶を含み、前記励起光により直線偏光成分を有する光を発するレーザー増幅器と、
   前記レーザー増幅器を挟んで配置される全反射ミラー及び偏光選択性回折格子ミラーを備え、レーザー光を発振する共振器と、
   前記共振器内における前記偏光選択性回折格子ミラーと前記レーザー増幅器の間に配置される１／４λ板を有し、
   前記１／４λは、前記レーザー増幅器側から入射される光の直線偏光成分を円偏光成分に変更して前記偏光選択性回折格子ミラーに入射させる一方、前記偏光選択性回折格子ミラー側から反射して入射される光の円偏光成分を直線偏光成分に変更する軸対称偏光レーザー発振装置。
2. 前記共振器内であって、前記レーザー増幅器を挟むように配置される一対のシリンドリカルレンズと、を有する請求項１記載の軸対称偏光レーザー発振装置。
3. 前記レーザー増幅器は、Ｎｄ：ＹＶＯ_４を含む、請求項１記載の軸対称偏光レーザー発振装置。
4. レーザーダイオードによりＮｄイオンドープバナデート結晶を含むレーザー増幅器を励起して直線偏光成分を有する光を発し、
   前記光の前記直線偏光成分を１／４λ板に入射して円偏光成分に変更し、
   前記１／４λ板から透過した光を偏光選択性回折格子ミラーに入射する一方、前記偏光選択性回折格子ミラー側から反射して入射される光の円偏光成分を前記１／４λ板で直線偏光成分に変更するとともに、
   前記レーザー増幅器及び前記１／４λ板を挟みつつ、前記偏光選択性回折格子ミラーと全反射ミラーにより共振器を形成してレーザー発振を行う、軸対称偏光レーザーの発振方法。
5. 前記レーザー増幅器は、Ｎｄ：ＹＶＯ_４を含む請求項４記載の軸対称偏光レーザーの発振方法。