JP5234457B2 - レーザー共振器 - Google Patents

Description

本発明は、径偏光や方位偏光を含む円筒対称な偏光分布を有するレーザー光ビームの内、高次の共振器横モードを選択的かつ単独に発生するレーザー共振器に関する。

レーザー光が有する偏光状態として従来良く知られているのは、直線偏光、円偏光あるいは無偏光であり、レーザー共振器から発生したレーザー光ビームの断面内における偏光分布は、ビーム全体に渡り同一である。ところが、レーザー光軸をｚ軸にとる円筒座標系を考えた場合には、レーザー光ビームの偏光として、直線偏光が放射状に分布する径偏光、あるいは同心円状に分布する方位偏光が存在することが知られている。これらは、偏光がビームの光軸に対して軸対称に分布しているため円筒対称偏光と呼ばれる。

レーザー光のビーム横断面における空間強度分布は横モードと呼ばれ、一定の型を有する。円筒対称偏光ビームの横モードとしては、Bessel-Gauss型、Laguerre-Gauss型、modified Bessel-Gauss型が知られているが、その基本横モードは、いずれも中心に強度を持たない円筒対称な一重のドーナツ状もしくはリング状となる。このうち、Laguerre-Gauss型を有する円筒対称偏光ビームは、高次の横モードが存在する。

高次の横モードを有する円筒対称偏光ビームは、そのビーム断面においてモード次数に応じた複数のリング状強度分布を有し、隣り合うリング間においてπラジアンの位相差を有することを特徴とする。例えば、２次の円筒対称偏光モードは、２重のリング状強度分布を有するビームとなる。複数のリングを有する高次円筒対称偏光ビームの内、高次径偏光ビームにおいては、強く集光することでGauss型強度分布を有する直線偏光、円偏光よりも小さな集光スポットを焦点に形成可能であることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。この微小集光スポット特性は、高分解能レーザー顕微鏡や光記録分野において、応用が期待される。また、２重のリングを有する２次の径偏光ビームは、レンズの口径に対するビームの太さを適切に設定することで、焦点における電場が消滅し、その周りを電場で囲まれた微小空間を形成する（例えば、非特許文献２参照）。これは、高次の径偏光ビームにより初めて実現する特性であり、この微小空間に微粒子を３次元的に閉じ込める光ピンセットへの応用が期待される。

円筒対称偏光レーザー光を発生する装置はいくつか開発されているが、そのほとんどはレーザー光の偏光状態のみを制御する機構により実現されており、発生したビーム断面における空間強度分布に対する選択性は有していない。そのため、従来に実現した円筒対称偏光レーザー光は、一重のドーナツ状強度分布を有する基本横モードか、複数の高次モードが同時に発振するマルチ横モードとなる（例えば、特許文献１または非特許文献３参照）。つまり、従来に開発された方法では、特定の次数を持つ高次横モードを、単独で発生させることが出来ないという欠点がある。

また、高次径偏光ビームを発生させる手法の一つとして、２つの直交した高次直線偏光ビームによる干渉を用いた方法が考案されているものの、波長程度の精度において調整が必要となり、実現には至っていない（例えば、非特許文献４参照）。

Y. Kozawa and S.Sato, "Sharper focal spot formed by higher-order radially polarized laser beams", J. Opt Soc. Am. A, 2007, 24, p.1793 Y. Kozawa and S.Sato, "Focusing property of a double-ring-shaped radially polarized beam", Opt. Lett., 2006, 31, p.820 T.Moser et al., "Polarization-selective grating mirrors used in the generation of radial polarization", Appl. Phys. B, 2005, 80, p.707 V. G. Niziev et al., "Generation of inhomogeneouslypolarized laser beams by use of a Sagnacinterferometer", Appl. Opt. 2006,45, p.8393 特開２００７−２２７８５３号公報

そこで、本発明は、円筒対称偏光ビームのうち、複数のリング状強度分布を有する高次横モードについて、特定次数の横モードのみを安定かつ選択的に発生することが可能なレーザー共振器の提供を目的とする。

本発明に係るレーザー共振器は、上述した課題を解決するために、円筒対称偏光のレーザー光を発振可能なレーザー共振器内において、特定の次数以外の円筒対称偏光横モードに対する一本もしくは複数本の円環状の損失機構を有する光学素子を配置し、前記特定の次数の円筒対称偏光横モードのレーザー光を選択的に単独で発振させることを特徴としている。

本発明によれば、円環状の損失機構とは、特定の次数を持つ高次円筒対称偏光横モード以外の横モードに対して大きな回折損失を生ずる機構であればいかなるものでもよい。具体的には、共振機を構成する反射鏡に、吸収性、散乱性の物質を円環状に塗布することや、円環状に透過率を高めた部位を形成すること等により、円環状の損失機構が得られる。

また、本発明に係るレーザー共振器は、構成要素である反射鏡および光学素子の少なくとも一つに、前記円環状の損失機構を有する光学素子を一本もしくは複数本有していてもよい。円環状の損失機構は、共振器の反射鏡だけでなく、光に対して透明な基板上に施してレーザー共振器内に挿入してもよく、レーザー媒質の端面やレーザー共振器内に挿入された他の光学素子上に施してもよい。これにより、レーザー共振器内で発振する円筒対称偏光モードのうち、特定の次数を持つ横モードの強度分布において、強度がゼロで節となる部分が円環状の損失部に相当することで、その特定の次数を持つ横モードのみ回折損失を受けずレーザー発振が可能となる。

また、本発明によれば、円環状の損失機構を有する光学素子を前記レーザー共振器の軸方向に稼動させることで、発振する高次円筒対称偏光モードの横モード次数を選択することができる。

また、本発明に係るレーザー共振器は、円筒対称偏光でレーザー発振するための機構を有している。本発明によれば、レーザー共振器は、円筒対称偏光で選択的に発振が可能な機構を有するものであればいかなるものでもよい。例えば、径偏光もしくは方位偏光を選択的に反射可能な自己クローニング型フォトニック結晶反射型偏光子を共振器の反射鏡とすることや、複屈折性を有する一軸結晶を共振器に挿入もしくはレーザー媒質を一軸結晶としたもの等を使用することができる。

また、本発明によれば、レーザー発振の形態は限定されず、発振形態が、連続波あるいはパルス発振でも可能となる。

また、本発明によれば、発振波長が、可視域、赤外域、紫外域のいずれでも可能となる。

また、本発明によれば、レーザー媒質を励起する方法が、サイドポンプあるいはエンドポンプのいずれか、あるいはこれらの併用であってもよい。

また、本発明によれば、構成要素である反射鏡の内側および外側が、平面、凹面、凸面のいずれかの形状を取ることができる。

本発明によって、円筒対称偏光ビームのうち、複数のリング状強度分布を有する高次横モードについて、特定の次数の高次横モードを安定かつ選択的に発生することが可能となる。

本発明の実施の形態のレーザー共振器における円環状の損失機構を有する光学素子１の斜視図を、図１に示す。円筒対称偏光の一つである径偏光のみを選択的に反射可能な自己クローニング型フォトニック結晶反射型偏光子２上に、径偏光に対する反射率を大きく低下させた円環状の損失部３が設けられている。自己クローニング型フォトニック結晶反射型偏光子２は、同心円状の溝構造を有しているのに対し、円環状の損失部３は、放射状の溝構造を設けることで、フォトニック結晶構造における反射特性を変化させている。

図２に、円環状の損失機構を有する光学素子１と凹面反射鏡４とからなるレーザー共振器の正面図を示す。Nd:YAG結晶５をレーザー媒質とした、一般的なレーザー共振器とすることができる。なお、レーザー媒質はNd:YAG結晶５に限らず、他のレーザー媒質を用いてもよく、共振器を構成する凹面反射鏡４は凸面でも平面でもよい。

図２のレーザー共振器において、63mmのNd:YAG結晶５を使用し、凹面反射鏡４の曲率を500mmとし、共振器長を166mmとした。また、同心円状のパターンを有する自己クローニング型フォトニック結晶反射型偏光子２は、径偏光に対して90％反射、方位偏光に対して20％反射するように設計した。円環状の損失部３については、フォトニック結晶のパターンを放射状とし、径偏光が約20％反射する太さ50μmで直径550μmの円環とした。

図３に、発振したレーザー光の測定例を示す。図３（ａ）は、発振したビームの横断面強度分布であり、図３（ｂ）から（ｄ）は、直線偏光板透過後の強度分布を示している。図３中の矢印は、直線偏光板の透過偏光方向を示している。図３（ａ）から、発振したビームの横断面強度分布が、二重のリング状共同分布であることがわかる。また、図３（ｂ）から（ｄ）より、偏光方向にそって４つの楕円上強度分布が得られており、偏光板の回転に従って、この強度分布も回転していることから、径偏光の偏光分布であることがわかる。以上より、このレーザー発振が単一の２次径偏光モードであることが示される。

本発明の実施の形態のレーザー共振器の偏光選択性反射型偏光子上にもうけられた円環状の損失機構を有する光学素子を示す斜視図である。 偏光選択性反射型偏光子と凹面反射鏡とからなる本発明の実施の形態のレーザー共振器の概略正面図である。 本発明の実施の形態のレーザー共振器の２次径偏光モード発生例を示す（ａ）発振したビームの横断面の強度分布、（ｂ）第１の偏光方向の直線偏光板透過後の強度分布、（ｃ）第２の偏光方向の直線偏光板透過後の強度分布、（ｂ）第３の偏光方向の直線偏光板透過後の強度分布である。

符号の説明

１ 円環状の損失機構を有する光学素子
２ 自己クローニング型フォトニック結晶反射型偏光子
３ 円環状の損失部
４ 凹面反射鏡
５ Nd:YAG結晶

Claims (8)

1. 円筒対称偏光のレーザー光を発振可能なレーザー共振器内において、特定の次数以外の円筒対称偏光横モードに対する一本もしくは複数本の円環状の損失機構を有する光学素子を配置し、前記特定の次数の円筒対称偏光横モードのレーザー光を選択的に単独で発振させることを特徴とするレーザー共振器。
2. 構成要素である反射鏡および光学素子の少なくとも一つに、前記円環状の損失機構を有する光学素子を一本もしくは複数本有することを特徴とする請求項１記載のレーザー共振器。
3. 前記円環状の損失機構を有する光学素子を前記レーザー共振器の軸方向に稼動させることで、発振する高次円筒対称偏光モードの横モード次数を選択することを特徴とする請求項１または２記載のレーザー共振器。
4. 円筒対称偏光でレーザー発振するための機構を有することを特徴とする請求項１、２または３記載のレーザー共振器。
5. 発振形態が、連続波あるいはパルス発振であることを特徴とする請求項１、２、３または４記載のレーザー共振器。
6. 発振波長が、可視域、赤外域、紫外域のいずれかであることを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載のレーザー共振器。
7. レーザー媒質を励起する方法が、サイドポンプあるいはエンドポンプのいずれか、あるいはこれらの併用であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載のレーザー共振器。
8. 構成要素である反射鏡の内側および外側が、平面、凹面、凸面のいずれかの形状を有することを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６または７記載のレーザー共振器。