JP5387875B2

JP5387875B2 - レーザ共振器

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Publication number: JP5387875B2
Application number: JP2008055742A
Authority: JP
Inventors: 淳伊澤; 文夫松坂; 勝森田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2008-03-06
Filing date: 2008-03-06
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2028-03-06
Also published as: JP2009212403A

Description

本発明は、波長変換素子を好適に配置することができるレーザ共振器に関する。

高効率のレーザ共振器として、例えば特許文献１〜３が既に提案されている。

特許文献１の「レーザ共振器」は、高効率で波長変換されたレーザ光を得ることを目的とする。
そのため、このレーザ共振器は、図４に示すように、レーザ媒質５１ａおよびレーザ媒質を励起する励起光源５１ｂを有する励起装置５１と、励起装置５１から互いに反対方向に出射される基本波をそれぞれ反射する第１および第２の反射鏡６１，６２と、第１および第２の反射鏡６１，６２により反射された基本波をそれぞれ折り返し反射して励起装置を通して往復させる第３および第４の反射鏡６３，６４と、第１と第３の反射鏡６１，６３との間および第２と第４との反射鏡６２，６４の間に設けられ、基本波の一部を変換して基本波と異なる波長の変換波を出射する第１および第２の非線形光学媒質６６，６７とから成り、第１乃至第４の反射鏡６１，６２，６３，６４は、基本波を反射すると共に第１および第２の非線形光学媒質６６，６７から出射された変換波を透過する波長分離手段でなるものである。

特許文献２の「レーザ共振器及びその組立方法」は、波長変換素子をレーザ光の焦点位置に好適に配置し得ることを目的とする。
そのため、このレーザ共振器は、図５に示すように、反射ミラー７１，７２とレーザ媒質７３からなり、レーザ媒質７３からレーザ光を出射してレーザ光の焦点位置に基準点を定める基本光学系に、像転写光学系７４，７５を付加するレーザ共振器７０であって、像転写光学系は、レーザ光の基準点から複数のレンズ７４，７５の焦点距離ｆ_１，ｆ_２を用いて像転写の投影点を決定する像転写レンズ手段を備え、投影点に、レーザ光の波長を変更し得る波長変換素子７６を配置するものである。

特許文献３の「レーザ発振器」は、所望のパルス幅のレーザ光を出力できることを目的とする。
そのため、このレーザ発振器は、図６に示すように、レーザ媒質８１を挟んで設けられる一対のミラー８３，８４からなる光共振器８６と、この光共振器８６内に励起されるレーザ光をスイッチングするＱスイッチ８２と、光共振器８６内に配置されて光共振器８６内に励起された所定位置の光の像を所定距離離れた位置に転写して光共振器８６の共振器長を調整する像転写光学系８０とを具備するものである。

特開２０００−２１６４６５号公報、「レ―ザ共振器」特開２００５−４５１７４号公報、「レーザ共振器及びその組立方法」特開２００５−７２１３１号公報、「レーザ発振器」

図５に示した特許文献２のレーザ共振器は、波長変換素子７６をレーザ光の焦点位置（投影点）に好適に配置することができる特徴がある。

しかし、このレーザ共振器においては、波長変換素子７６が配置される投影点（焦点位置）を通過したレーザ光は、ビームウエストから離れたファーフィールドにおいて、通常広がりを持つ球面波となる。このため、これを元の光路に向けて折り返すために、反射ミラー７２は必然的に凹面ミラーとなる。
この場合、最適な反射ミラーの条件（曲率、位置）はレーザの動作状態により異なるため、いかなる条件の反射ミラーを用いたとしても全ての動作状態をカバーすることはできず、レーザの動作状態に制約を与える問題点があった。

すなわち、レーザ共振器の始動時において、レーザ共振器の動作状態が不安定な段階では反射ミラー７２の設置位置における球面波の曲率が変動するため、一定の曲率を持った凹面ミラーを用いても正確にレーザ光を元の光路に反射できない問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、波長変換素子を好適に配置することができ、かつレーザの動作状態によることなく正確にレーザ光を所定の光路内に反射できるレーザ共振器を提供することにある。

本発明によれば、レーザ光を発生するレーザ媒体と、
それぞれ平面ミラーからなり、前記レーザ媒体を軸方向に挟み、その間にレーザ光が集光される基準点を形成する終端ミラー及び出力ミラーと、を備え、
前記出力ミラーを透して前記レーザ光を外部に出射するようになっており、
前記基準点はレーザ媒体と出力ミラーの間に位置しており、さらに、
前記基準点と出力ミラーの間に配置され、基準点におけるレーザ光のビームプロファイルを軸線上の第１転写点に転写する第１像転写光学系と、
該第１像転写光学系と出力ミラーの間に配置され、出力ミラー位置に軸方向に平行なレーザ光を形成する第２像転写光学系と、を備え、
前記第１像転写光学系は、第１焦点距離と第２焦点距離をそれぞれ有し、互いに第１焦点距離と第２焦点距離の和に相当する間隔を隔てた第１凸レンズと第２凸レンズからなり、
前記第２像転写光学系は、第３焦点距離と第４焦点距離をそれぞれ有し、互いに第３焦点距離と第４焦点距離の和に相当する間隔を隔てた第３凸レンズと第４凸レンズからなり、第１転写点におけるレーザ光のビームプロファイルを軸線上の第２転写点に転写し、該第２転写点に出力ミラーが位置し、
さらに前記基準点又は第１転写点に位置する波長変換素子を備える、ことを特徴とするレーザ共振器が提供される。

上記本発明の構成によれば、第２像転写光学系により、出力ミラー位置に軸方向に平行なレーザ光を形成するので、平面ミラーからなる出力ミラーにより、軸方向に平行なレーザ光を正確に元の光路に反射することができる。

すなわち、好ましい第１実施形態によれば、第２像転写光学系により、投影点（第１転写点）上の像を第２転写点に位置する出力ミラー上に再度投影することができる。これは基準点の像を出力ミラー上に投影することと同等であり、基準点におけるレーザ光はビームウエスト又はこれに近いニアフィールドであり、常に軸方向に平行にでき、平面ミラーからなる出力ミラーにより、常に正確に元の光路に反射することができる。
従って、いかなる動作条件においても基本光学系の条件を満たすことができ、動作状態の制約を解消することができる。

また、好ましい第２実施形態によれば、第１転写点と出力ミラーの中間点に位置する第５凸レンズにより、第１転写点におけるレーザ光のビームプロファイルを軸線上の第１転写点に転写することができる。
この場合、出力ミラーは、第５凸レンズとその虚像との中間点に位置し、その位置におけるレーザ光が常に軸方向に平行となるので、平面ミラーからなる出力ミラーにより、常に正確に元の光路に反射することができる。
従って、この例でも、いかなる動作条件においても基本光学系の条件を満たすことができ、動作状態の制約を解消することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本発明によるレーザ共振器の第１実施形態図である。この図において、本発明のレーザ共振器１０は、レーザ媒体１２、終端ミラー１３、出力ミラー１４、第１像転写光学系１６、および第２像転写光学系１８を備える。

レーザ媒体１２は、例えばＮｄ：ＹＡＧ等の固体レーザ媒体であり、図示しない励起源により励起されレーザ光を出射する。

終端ミラー１３及び出力ミラー１４は、それぞれ平面ミラーであり、その間にレーザ媒体１２を軸方向に挟んで設けられ、その間でレーザ光７を往復させて光共振によりレーザ光７を増幅し、出力ミラー１４を透してレーザ光６を外部（図で右方向）に出射するようになっている。レーザ光６は高出力パルスレーザであるのが好ましいが、本発明はこれに限定されず、低出力パルスレーザであってもよい。
また、終端ミラー１３及び出力ミラー１４は、その間にレーザ光７を平行かつ最小に集光する基準点２１を形成する。基準点２１はレーザ光７のビームウエストに相当する。

第１像転写光学系１６は、基準点２１と出力ミラー１４の間に配置され、基準点２１におけるレーザ光７のビームプロファイルを軸線上の第１転写点２２に転写する機能を有する。

第１像転写光学系１６は、この例では、第１焦点距離ｆ_１と第２焦点距離ｆ_２をそれぞれ有し、互いに第１焦点距離ｆ_１と第２焦点距離ｆ_２の和（ｆ_１＋ｆ_２）に相当する間隔を隔てた第１と第２の凸レンズ１６ａ，１６ｂからなる。
第１焦点距離ｆ_１と第２焦点距離ｆ_２は、同一であっても、異なってもよい。また、第１凸レンズ１６ａと第２凸レンズ１６ａは、単レンズであっても、２枚以上の複合レンズであってもよい。

またこの例において、基準点２１と第１凸レンズ１６ａの距離は、第１焦点距離ｆ_１に距離Ｌ_１を加算した距離となっている。また、第１転写点２２と第２凸レンズ１６ｂの距離は、第２焦点距離ｆ_２から距離Ｌ_２を減算した距離となっている。

距離Ｌ１は、任意であるが、０であるのが好ましく、この場合、基準点２１は、第１凸レンズ１６ａの焦点に位置する。距離Ｌ２は、次式（１）で求められる。
Ｌ_２＝Ｌ_１×（ｆ_２／ｆ_１）^２・・・（１）

この構成により、基準点２１のビームプロファイルを、第１転写点２２にｆ_２／ｆ_１の倍率で転写することができる。

第２像転写光学系１８は、第１像転写光学系１６と出力ミラー１４の間に配置され、出力ミラー１４の位置に軸方向に平行なレーザ光７を形成する。出力ミラー１４におけるレーザ光７は、軸方向に平行である限りで、ビームウエスト又はこれに近いニアフィールドであっても、ファーフィールドであってもよい。

第２像転写光学系１８は、この例では、第３焦点距離ｆ_３と第４焦点距離ｆ_４をそれぞれ有し、互いに第３焦点距離ｆ_３と第４焦点距離ｆ_４の和（ｆ_３＋ｆ_４）に相当する間隔を隔てた第３凸レンズ１８ａと第４凸レンズ１８ｂからなる。
第３焦点距離ｆ_３と第４焦点距離ｆ_４は、同一であっても、異なってもよい。また、第３凸レンズ１８ａと第４凸レンズ１８ｂは、単レンズであっても、２枚以上の複合レンズであってもよい。
この構成により、第２像転写光学系１８は、第１転写点２２におけるレーザ光７のビームプロファイルを軸線上の第２転写点２３に転写する。
上述した出力ミラー１４は、第２転写点２３の位置に位置する。

またこの例において、第１転写点２２と第３凸レンズ１８ａの距離は、第３焦点距離ｆ_３に距離Ｌ_３を加算した距離となっている。また、第２転写点２３と第４凸レンズ１８ｂの距離は、第４焦点距離ｆ_４から距離Ｌ_４を減算した距離となっている。

距離Ｌ_３は、任意であるが、０であるのが好ましく、この場合、第１転写点２２は、第３凸レンズ１８ａの焦点に位置する。また距離Ｌ_４は、次式（２）で求められる。
Ｌ_４＝Ｌ_３×（ｆ_４／ｆ_３）^２・・・（２）

この構成により、第１転写点２２のビームプロファイルを、第２転写点２３にｆ_４／ｆ_３の倍率で転写することができる。

図１において、さらに波長変換素子１９（例えばＳＨＧ結晶等）を第１転写点２２に備える。波長変換素子１９を第１転写点２２に配置することにより、基準点２１におけるレーザ光７のビームプロファイルに影響を与えることなく、パルスレーザ光６の波長を変化させることができる。
なお、波長変換素子１９を基準点２１に設けても、パルスレーザ光６の波長を変化させることができる。

図１の第１実施形態において、第３焦点距離ｆ_３＜第４焦点距離ｆ_４とすると第１投影点（第１転写点２２）上の像が出力ミラー１４上で拡大されるため、高出力レーザにおいて光学素子の損傷を避けることができる。
例えばｆ_４をｆ_３の３倍とすると、像の大きさも３倍となり、単位面積当たりのレーザ強度は１／３^２＝１／９となる。さらに第１投影点（第１転写点２２）から第３凸レンズ１８ａまでの距離をｆ_３＋Ｌ_３とすると、このとき像転写の条件を満たす第４凸レンズ１８ｂから出力ミラー１４までの距離は［ｆ_４-Ｌ_３（ｆ_４／ｆ_３）^２］となり、第１投影点（第１転写点２２）から出力ミラー１４までの距離ははじめの［２（ｆ_３＋ｆ_４）］から［２（ｆ_３＋ｆ_４）-Ｌ_３（ｆ_４ ^２-ｆ_３ ^２）／ｆ_３ ^２］となり、ｆ_３＜ｆ_４の条件においては距離が短くなり共振器の大きさを小さくできる。

上述した本発明の構成によれば、第２像転写光学系１８により、出力ミラー位置に軸方向に平行なレーザ光７を形成するので、平面ミラーからなる出力ミラー１４により、軸方向に平行なレーザ光７を正確に元の光路に反射することができる。

すなわち、第１実施形態の構成によれば、第２像転写光学系１８により、投影点（第１転写点２２）上の像を第２転写点２３に位置する出力ミラー１４上に再度投影することができる。これは基準点２１の像を出力ミラー１４上に投影することと同等であり、基準点２１におけるレーザ光７はビームウエスト又はこれに近いニアフィールドであり、常に軸方向に平行にでき、平面ミラーからなる出力ミラー１４により、常に正確に元の光路に反射することができる。
従って、いかなる動作条件においても基本光学系の条件を満たすことができ、動作状態の制約を解消することができる。

図２は、本発明によるレーザ共振器の第２実施形態図である。
この例において、第２像転写光学系１８は、第１転写点２２と出力ミラー１４の中間点に位置する第５凸レンズ１８ｃからなる。第５凸レンズ１８ｃは、第１転写点２２と出力ミラー１４間の距離の半分に相当する第５焦点距離ｆ_５を有する。
第５凸レンズ１８ｃは、単レンズであっても、２枚以上の複合レンズであってもよい。
この構成により、第１転写点２２におけるレーザ光７のビームプロファイルを軸線上の同一の第１転写点２２に転写することができる。
この例において、出力ミラー１４におけるレーザ光７は、軸方向に平行である限りで、ビームウエスト又はこれに近いニアフィールドであっても、ファーフィールドであってもよい。

その他の構成は、図１の第１実施形態と同様である。

上述した第２実施形態によれば、第１転写点２２と出力ミラー１４の中間点に位置する第５凸レンズ１８ｃにより、第１転写点２２におけるレーザ光７のビームプロファイルを軸線上の第１転写点２２に転写することができる。
この場合、出力ミラー１４は、第５凸レンズ１８ｃとその虚像との中間点に位置し、その位置におけるレーザ光７が常に軸方向に平行となるので、平面ミラーからなる出力ミラー１４により、常に正確に元の光路に反射することができる。
従って、いかなる動作条件においても基本光学系の条件を満たすことができ、動作状態の制約を解消することができる。

第２実施形態は、上述した第１実施形態に比べ必要な光学部品の点数が少なく、共振器全体の寸法もコンパクトにできる。ただし図３に示すように、投影点からの光の広がりが比較的小さく、レンズの位置が投影点に対しニアフィールドとなる場合は平面鏡上での像が小さくなるため、高出力のレーザにおいては光学素子（この場合出力ミラー１４）を損傷させるおそれがある。
そのため、出力ミラー１４におけるレーザ光のビーム強度が過大とならないように、上述した焦点距離ｆ_１，ｆ_２，ｆ_５と距離Ｌ_１を設定するのがよい。

なお「ニアフィールド」とは、ビームウエストからの距離が、以下の式（３）により求められるレイリー長Ｌ_Ｒより十分に近い位置を意味する。ここで、ω_０はビームウエストでのビーム半径、Ｍはビーム品質係数、λはレーザ波長である。

Ｌ_Ｒ＝（πω_０ ^２）／（Ｍ^２λ）・・・（３）

従って、対象となる場所のビームウエストからの距離が、式（３）により求められるレイリー長より十分遠ければファーフィールド、十分に近ければニアフィールド、そのどちらでもなければその中間であり、ニアフィールドとファーフィールドの両方の特性を含む。
式（３）により、ビームが絞れておりウェスト径が小さい場合にはレイリー長が短く、より近い距離からファーフィールドなることがわかる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。例えば、光路の中間位置に傾斜した平面ミラーを追加して、全体の光路を折り曲げてもよい。

本発明によるレーザ共振器の第１実施形態図である。本発明によるレーザ共振器の第２実施形態図である。図２のレーザ共振器の別の状態を示す図である。特許文献１の「レーザ共振器」の模式図である。特許文献２の「レーザ共振器」の模式図である。特許文献３の「レーザ発振器」の模式図である。

符号の説明

６レーザ光（高出力パルスレーザ）、７レーザ光、
１０レーザ共振器、
１２レーザ媒体、１３反射ミラー（終端ミラー）、
１４反射ミラー（出力ミラー）、
１６像転写光学系、１６ａ第１凸レンズ、１６ｂ第２凸レンズ、
１８第２像転写光学系、１８ａ第３凸レンズ、
１８ｂ第４凸レンズ、１８ｃ第５凸レンズ、
２１基準点、２２第１転写点、２３第２転写点

Claims

レーザ光を発生するレーザ媒体と、
それぞれ平面ミラーからなり、前記レーザ媒体を軸方向に挟み、その間にレーザ光が集光される基準点を形成する終端ミラー及び出力ミラーと、を備え、
前記出力ミラーを透して前記レーザ光を外部に出射するようになっており、
前記基準点はレーザ媒体と出力ミラーの間に位置しており、さらに、
前記基準点と出力ミラーの間に配置され、基準点におけるレーザ光のビームプロファイルを軸線上の第１転写点に転写する第１像転写光学系と、
該第１像転写光学系と出力ミラーの間に配置され、出力ミラー位置に軸方向に平行なレーザ光を形成する第２像転写光学系と、を備え、
前記第１像転写光学系は、第１焦点距離と第２焦点距離をそれぞれ有し、互いに第１焦点距離と第２焦点距離の和に相当する間隔を隔てた第１凸レンズと第２凸レンズからなり、
前記第２像転写光学系は、第３焦点距離と第４焦点距離をそれぞれ有し、互いに第３焦点距離と第４焦点距離の和に相当する間隔を隔てた第３凸レンズと第４凸レンズからなり、第１転写点におけるレーザ光のビームプロファイルを軸線上の第２転写点に転写し、該第２転写点に出力ミラーが位置し、
さらに前記基準点又は第１転写点に位置する波長変換素子を備える、ことを特徴とするレーザ共振器。