JP5387876B2 - レーザ共振器 - Google Patents

Description

本発明は、Ｈｏｌｄ−ｏｆｆ性能を向上させるための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、２が既に提案されている。

特許文献１の「パルスレーザ光発生装置」は、ＡＯ−Ｑスイッチの利点を生かしたままで、スイッチング時間をより早くしてより高い出力を可能にすることを目的とする。
そのため、この装置は、図４に示すように、半導体レーザ５１、励起用光学系５２、レーザ結晶５３、ＡＯ−Ｑスイッチ５４及びレーザ出力ミラー５５を備える従来のレーザ共振器において、レーザ結晶５３でのビーム径を変えずにＱスイッチ５４内部のレーザ光のビーム径のみを小さくするために、対となる凸レンズ５６及び凹レンズ５７を、レーザ結晶５３とＱスイッチ５４との間及びＱスイッチ５４とレーザ出力ミラー５５との間にそれぞれ配置するものである。

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、レーザ媒質６４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、像転写光学系を付加するレーザ共振器６７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６０，６１の焦点距離ｆ１，ｆ２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、投影点には、レーザ光の波長を変更し得る波長変換素子６６を配置して構成されるものである。

特開平１１−２３３８６７号公報、「パルスレーザ光発生装置」 特開２００５−４５１７４号公報、「レーザ共振器及びその組立方法」

図１はＱスイッチを用いたレーザ共振器の従来例である。このレーザ共振器１は、終端ミラー２と出力ミラー３の間にレーザ媒体４（例えばＮｄ：ＹＡＧ等）を配置し、レーザ媒体４と終端ミラー２の間にＱスイッチ５を配置している。この構成により、Ｑスイッチ５をＨｏｌｄ−ｏｆｆ状態（レーザ発振を抑制する状態）にして、終端ミラー２と出力ミラー３の間で光（レーザ光）を往復させてレーザ媒体４で励起し、次いでスイッチ５のＨｏｌｄ−ｏｆｆ状態を解除することにより、強いパルスレーザ光６を出力ミラー３を透して出射することができる。

しかし、レーザ共振器内にＱスイッチを配置したパルスレーザ装置では、Ｑスイッチの実効的な性能がレーザ共振器の性能に重大な影響を与えることがある。
すなわち、Ｑスイッチ、例えばＡＯ−ＱスイッチやＥＯ−Ｑスイッチには設計上の有効径（図１に破線で示す）があり、それ以上の径を持つレーザ光７に適用する場合、Ｈｏｌｄ−ｏｆｆ性能が極端に低下する。また、Ｑスイッチの性能を最大限に引き出すためには、Ｑスイッチへ入射するレーザ光７は極力平行光であることが望ましい。
言い換えれば、Ｑスイッチ素子は平行なかつ適度な直径のレーザ光７に対して最適になるよう設計されているため、レーザ光７が平行になっている部分に設置するのが望ましいが、必ずしもそのような場所に配置できるとは限らず、Ｑスイッチの性能が十分に発揮されない場合があった。

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、Ｑスイッチの性能低下を防止して、Ｈｏｌｄ−ｏｆｆ性能を向上させることが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、
該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、
出力ミラーと前記基準点との間に配置され、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転写点に転写する像転写光学系と、
該像転写光学系内のビームウエスト又はそのニアフィールドに配置されたＱスイッチと、を備え、
前記像転写光学系は、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Ｑスイッチは、第１凸レンズと第２凸レンズの間のビームウエスト又はそのニアフィールドに位置し、
前記基準点と第１凸レンズとの距離は、前記Ｑスイッチの配置位置におけるレーザ光がＱスイッチに適したほぼ平行かつ直径となるように第１焦点距離より短く設定されている、ことを特徴とするレーザ共振器が提供される。

また、前記第１焦点距離と第２焦点距離は、前記Ｑスイッチの配置位置におけるレーザ光がほぼ平行かつＱスイッチに適した直径となるように設定されている。

上記本発明の構成によれば、Ｑスイッチを像転写光学系内のビームウエスト又はそのニアフィールドに配置することにより、Ｑスイッチの配置位置におけるレーザ光がほぼ平行かつ最小径となるので、Ｑスイッチに設計上の有効径があっても、その有効径内にレーザ光を集光させることができ、Ｑスイッチの性能低下を防止して、Ｈｏｌｄ−ｏｆｆ性能を確保することができる。

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２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、１対の反射ミラー１３、１４、像転写光学系１６、およびＱスイッチ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７を出射する。

１対の反射ミラー１３、１４は、終端ミラー１３と出力ミラー１４からなる。終端ミラー１３は例えば全反射ミラーであり、出力ミラー１４は例えば半反射ミラーである。出力ミラー１４は凹面ミラーであるのがよい。
終端ミラー１３と出力ミラー１４は、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を透してパルスレーザ光６を外部（図で右方向）に出射するようになっている。
また、この反射ミラー１３、１４は、その間にレーザ光７を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の焦点位置（ビームウエスト）に相当する。

像転写光学系１６は、反射ミラーの一方（この例で出力ミラー１４）と基準点２１との間に配置され、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転写点２２に転写する機能を有する。
波長変換素子１９（例えばＳＨＧ結晶等）をこの転写点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。

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凸レンズ１６ａと第２凸レンズ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、焦点距離ｆ_１にほぼ等しく、基準点２１は第１凸レンズ１６ａの前方の焦点位置に位置する。また、転写点２２と第２凸レンズ１６ｂの距離は、焦点距離ｆ_２にほぼ等しく、転写点２２は第２凸レンズ１６ｂの後方の焦点位置に位置する。
この構成により、基準点２１のビームプロファイルを、転写点２２にｆ_２／ｆ_１の倍率で転写することができる。

Ｑスイッチ１８は、好ましくは、ＡＯ−Ｑスイッチ又はＥＯ−Ｑスイッチであり、像転写光学系１６内のビームウエスト又はそのニアフィールドに配置されている。
すなわち、この例では、Ｑスイッチ１８は、第１凸レンズ１６ａと第２凸レンズ１６ｂの間のビームウエスト又はそのニアフィールドに位置する。Ｑスイッチ１８には設計上の有効径があり、これを図中に破線で示す。

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（１）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）・・・（１）

式（１）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。

また、この例において、第１焦点距離ｆ_１と第２焦点距離ｆ_２は、Ｑスイッチ１８の配置位置におけるレーザ光７がほぼ平行かつＱスイッチ１８に適した直径となるように設定されている。

上述した構成により、Ｑスイッチ１８が像転写光学系１６内のビームウエスト又はそのニアフィールドに位置することにより、Ｑスイッチ１８に設計上の有効径があっても、その有効径内にレーザ光７を集光させることができ、Ｑスイッチの性能低下を防止して、Ｈｏｌｄ−ｏｆｆ性能を確保することができる。

図３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、基準点２１と第１凸レンズ１６ａとの距離は、Ｑスイッチ１８の配置位置におけるレーザ光７がＱスイッチに適したほぼ平行かつ直径となるように設定されている。
すなわち、この例では、像転写光学系の１枚目の第１凸レンズ１６ａを像点側にずらし、基準点２１から第１凸レンズ１６ａまでの距離をｆ_１-Ｌ_１とする。Ｌ_１は好ましくは、０〜ｆ_１の範囲で設定する。なお、Ｌ_１は、これ以外の範囲、例えばｆ_１を超えてもよい。
このとき２枚目の第２凸レンズ１６ｂから転写像点の位置（転写点２２）はｆ_２＋ Ｌ_２となる。
ここで、Ｌ_１とＬ_２は、式（２）で表す関係となる。

Ｌ_２＝Ｌ_１×（ｆ_２）^２／（ｆ_１）^２）・・・（２）

図３において、その他の構成は、第１実施形態と同様である。

上述した構成により、１枚目のレンズ（第１凸レンズ１６ａ）を像点側に移動させることにより、第１凸レンズ１６ａの設置場所が平行光に近い場所（ニアフィールド）になり、レンズを通過したレーザ光がビームウエストを持つ。ここにＱスイッチ１８を設置することにより、Ｑスイッチの最適な動作条件を得ることができる。

なお、Ｑスイッ１８チの配置位置は、上述した実施形態に限定されず、その他のビームウエスト又はそのニアフィールド、例えば上述した基準点２１、転写点２２やその近傍であってもよい。

上述した本発明の構成によれば、Ｑスイッチ１８を像転写光学系内のビームウエスト又はそのニアフィールドに配置することにより、Ｑスイッチの配置位置におけるレーザ光がほぼ平行かつ最小径となるので、Ｑスイッチに設計上の有効径があっても、その有効径内にレーザ光を集光させることができ、Ｑスイッチの性能低下を防止して、Ｈｏｌｄ−ｏｆｆ性能を確保することができる。

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。

Ｑスイッチを用いたレーザ共振器の従来例である。 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。 特許文献１の「パルスレーザ光発生装置」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。

符号の説明

６ パルスレーザ光、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，１６ｂ 凸レンズ、
１８ Ｑスイッチ、１９ 波長変換素子（ＳＨＧ結晶等）、
２１ 基準点、２２ 転写点

Claims (2)

1. レーザ光を発生するレーザ媒体と、
   該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、
   出力ミラーと前記基準点との間に配置され、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転写点に転写する像転写光学系と、
   該像転写光学系内のビームウエスト又はそのニアフィールドに配置されたＱスイッチと、を備え、
   前記像転写光学系は、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Ｑスイッチは、第１凸レンズと第２凸レンズの間のビームウエスト又はそのニアフィールドに位置し、
   前記基準点と第１凸レンズとの距離は、前記Ｑスイッチの配置位置におけるレーザ光がＱスイッチに適したほぼ平行かつ直径となるように第１焦点距離より短く設定されている、ことを特徴とするレーザ共振器。
2. 前記第１焦点距離と第２焦点距離は、前記Ｑスイッチの配置位置におけるレーザ光がほぼ平行かつＱスイッチに適した直径となるように設定されている、ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ共振器。
   

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