JP5923884B2 - パルスレーザ発振器 - Google Patents

Description

本発明は、印加された電圧に応じて光を偏光する電気光学素子を備えたパルスレーザ発振器に関し、詳しくは、前記電気光学素子に印加する電圧を経時的に変化させ、レーザ光のパルス幅を伸長し、出力されるパルスレーザのピークエネルギーを低下させることができるパルスレーザ発振器に係るものである。

従来のパルスレーザ発振器として、レーザ媒質、これを励起する励起用光源及びレーザ媒質が放射した光を往復増幅する共振器を有してパルスレーザ光を得る構成であって、レーザ媒質の片側に高反射率ミラーを、他方側に低反射率ミラーを配設してなる共振器間にＱスイッチ素子及びキャビティダンプ素子を配設し、レーザ光を共振器内に完全に閉じ込めた状態でＱスイッチ発振を行わせ、共振器内に蓄積されたパルスレーザ光のピークレベル近傍で、続けてキャビティダンプ素子を動作させてキャビティダンプを行なわせることにより、共振器内部に蓄積されたエネルギーを瞬間的に外部に取り出すように構成されたものがあった（例えば特許文献１参照）。

特開２００３−６９１１８号公報

しかし、前記従来のパルスレーザ発振器においては、共振器内部に蓄積されたエネルギーが瞬間的に外部に取り出されるため、出力されるパルスレーザのピークエネルギーが大きくなりすぎ、レーザが照射される対象物を損傷するおそれがあった。

そこで、このような問題点に対処し、本発明が解決しようとする課題は、パルス幅を伸長することにより、出力されるパルスレーザのピークエネルギーを低下させることができるパルスレーザ発振器を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明によるパルスレーザ発振器は、光を発する励起光源と、該励起光源から光が照射されることにより光軸に沿って光を放出するレーザ媒質と、該レーザ媒質の両側端方に配置され前記レーザ媒質から放出された光を往復させて誘導放出を生じさせる光共振器とを備えたパルスレーザ発振器であって、前記光共振器内にて前記レーザ媒質の光軸上に、入射面に対して垂直な偏光成分を反射することにより入射面に対して平行な偏光成分だけを透過させる偏光子と、入射光の偏光成分に位相差を生じさせることにより直線偏光と円偏光との間で変換するλ／４波長板と、印加された電圧に応じて光を偏光する電気光学素子と、を備え、前記電気光学素子に接続され、該電気光学素子に電圧を印加すると共に前記印加する電圧の変化率を段階的に変化させる制御点を少なくとも１つ有するように構成した電圧制御装置を備え、前記電圧制御装置によって前記電気光学素子に印加する電圧を経時的に変化させ、レーザ光のパルス幅を制御してパルスレーザのパルス幅を伸長させ、該パルスレーザのピークエネルギーを低下させるものである。

また、前記電圧制御装置は、前記電気光学素子に印加する電圧の変化率を段階的に変化させるものである。

さらに、前記偏光子は、前記レーザ媒質の光軸に対して傾いて設置され、入射面に対して平行な偏光成分であるｐ偏光だけを透過させるシャッターの役割を果たすものである。

そして、前記電気光学素子は、ポッケルスセルである。

請求項１に係るパルスレーザ発振器によれば、光共振器内にてレーザ媒質の光軸上に設けられた偏光子で、入射面に対して垂直な偏光成分を反射することにより入射面に対して平行な偏光成分だけを透過させ、前記光軸上に設けられたλ／４波長板で、入射光の偏光成分に位相差を生じさせることにより直線偏光と円偏光との間で変換し、前記光軸上に設けられた電気光学素子で、印加された電圧に応じて光を偏光し、前記電気光学素子に接続され、該電気光学素子に電圧を印加すると共に前記印加する電圧の変化率を段階的に変化させる制御点を少なくとも１つ有するように構成した電圧制御装置によって、前記電気光学素子に印加する電圧の変化率を段階的に変化させ、かつ、前記電気光学素子に印加する電圧を経時的に変化させて、レーザ光のパルス幅を制御することができる。また、前記制御点の後にもピークを生じさせることができる。したがって、前記電圧制御装置による、電気光学素子に印加する電圧の変化率を段階的に変化させることと、該電気光学素子に印加する電圧を変化させることにより、出力されるパルスレーザのパルス幅を伸長させ、該パルスレーザのピークエネルギーを低下させることができる。
また、レーザ光を分光するビームスプリッタや、遅延光学系のためのミラーを使用せずにパルス幅を伸長させることができるため、パルスレーザ発振器をコンパクトに形成することができる。
さらに、パルスレーザ発振器を使用する際に、上記ビームスプリッタや、遅延光学系のためのミラーを調整する必要がないため、パルスレーザ発振器を使用するための作業が容易になる。

さらに、請求項２に係るパルスレーザ発振器によれば、前記レーザ媒質の光軸に対して傾いて設置された偏光子によって入射面に対して平行な偏光成分であるｐ偏光だけを透過させるシャッターの役割を果たすことができる。

そして、請求項３に係るパルスレーザ発振器によれば、電圧を印加されたポッケルスセルによって光を偏光させることができる。

本発明によるパルスレーザ発振器の実施形態における電圧非印加状態を示す概略図である。 前記パルスレーザ発振器の電圧印加状態を示す概略図である。 前記パルスレーザ発振器に備えられたポッケルスセルに印加する電圧の変化と、出力されるパルスレーザの出力エネルギーの関係の一例を示すグラフである。 図３に記載の関係の他の例を示すグラフである。 図３及び図４に記載の関係のさらに他の例を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明によるパルスレーザ発振器の実施形態を示す図である。このパルスレーザ発振器は、Ｑ値（後述する光共振器３内に蓄えられたエネルギー／光共振器３の外部に失われるエネルギー）を切り替えることによりジャイアントパルスを発生させるＱスイッチ法によりジャイアントパルスを発生させるＹＡＧレーザであって、ＹＡＧロッド１と、フラッシュランプ２と、光共振器３と、ポラライザー４と、λ／４波長板５と、ポッケルスセル６と、電圧制御装置７と、を備える。

前記ＹＡＧロッド１は、後述するフラッシュランプ２から光を照射されることにより光を放出し、放出した光を誘導放出により増幅させるものであって、図１に示すように、光軸Ｌに沿って光を放出する固体のレーザ媒質である。このＹＡＧロッド１のかわりに、Ｎｄ：ＹＡＧロッドやＥｒ：ＹＡＧロッドなどの他のレーザ媒質を使用してもよい。

ＹＡＧロッド１の側面（図１におけるＹＡＧロッド１の上側）にはフラッシュランプ２が設けられている。このフラッシュランプ２は、前記ＹＡＧロッド１に光を照射して、ＹＡＧロッド１からの光の放出を開始させるものであり、例えばキセノンフラッシュランプやレーザダイオードが使用される。

図１における前記ＹＡＧロッド１の左右の両側方には、フロントミラー３ａ及びリアミラー３ｂが設けられている。このフロントミラー３ａ及びリアミラー３ｂは、ＹＡＧロッド１から放出された光を２枚のミラー間で往復させるものであり、フロントミラー３ａとリアミラー３ｂとによって、ＹＡＧロッド１内で誘導放出を生じさせてコヒーレントな光を増幅させる光共振器３を構成している。

前記フロントミラー３ａは、入射光の一部を透過させる部分透過ミラーであって、ＹＡＧロッド１から放出される光の光軸Ｌ上のレーザ光が放出される側に設置される。Ｑスイッチ法により瞬間的に増幅されたレーザ光の一部が、このフロントミラー３ａを通じて光共振器３内から取り出される。

また、前記リアミラー３ｂは、ＹＡＧロッド１を挟んで前記フロントミラー３ａと反対側の光軸Ｌ上に設けられた全反射ミラーであり、フロントミラー３ａとの間で光軸Ｌ上の光を往復させる。

前記リアミラー３ｂと前記ＹＡＧロッド１との間の光軸Ｌ上には、ポラライザー４が設けられている。このポラライザー４は、入射光のうち、入射面に対して垂直な偏光成分であるｓ偏光を反射することにより、入射面に対して平行な偏光成分であるｐ偏光だけを透過させるものであって、前記Ｑスイッチ法におけるシャッターの役割を果たす偏光子である。ポラライザー４の材質は、ガラスやプラスチックであり、入射光の入射角θが、ｐ偏光の反射率が０になるブリュースター角となるように光軸Ｌに対して傾いて設置されている。このポラライザー４は、複数設けられてもよい。また、ポラライザー４は、ｓ偏光又はｐ偏光のいずれか一方のみを透過させるものであればよく、上記のものの他にも、例えば偏光プリズムや偏光フィルタ等の偏光子を使用してもよい。
なお、以下の説明で使用するｓ偏光及びｐ偏光という語は、このポラライザー４に対するｓ偏光及びｐ偏光を指すものとする。

前記ポラライザー４と前記リアミラー３ｂとの間には、λ／４波長板５が設けられている。このλ／４波長板５は、入射光の偏光成分に９０°（π／２）の位相差を生じさせることにより、直線偏光（上記ｓ偏光又はｐ偏光）を円偏光に、円偏光を直線偏光に変換するものであって、図１に示すように、ポラライザー４の左側の光軸Ｌ上に設けられている。ＹＡＧロッド１から放出され、ポラライザー４を透過したｐ偏光は、このλ／４波長板５により円偏光に変換される。

前記λ／４波長板５と前記リアミラー３ｂとの間には、ポッケルスセル６が設けられている。このポッケルスセル６は、印加された電圧に応じて光を偏光する電気光学素子であって、図１に示すように、λ／４波長板５の左側の光軸Ｌ上に設けられている。ポッケルスセル６は、電圧を印加されていない状態では光を偏光しないが、電圧を印加されると光を偏光し、その偏光の度合いは印加電圧に依存する。

前記ポッケルスセル６には、電圧制御装置７が電気的に接続されている。電圧制御装置７は、ポッケルスセル６に電圧を印加するとともに印加する電圧を制御するものであって、電圧印加回路７ａと、制御回路７ｂとからなる。

電圧印加回路７ａは、ポッケルスセル６に電圧を印加するものであって、ポッケルスセル６に電気的に接続されている。この電圧印加回路７ａには、電圧印加回路７ａによるポッケルスセル６への電圧の印加を制御することで、ポッケルスセル６に入射した光の偏光の度合いを変化させ、レーザ光の発振を制御する制御回路７ｂが接続されている。

次に、このように構成されたパルスレーザ発振器の動作について、図１〜図５を参照して説明する。
このパルスレーザ発振器によりパルスレーザを発振する際、まず、前記制御回路７ｂは、電圧印加回路７ａに信号を送り、ポッケルスセル６への印加電圧が０Ｖとなるように制御する。この状態で、前記フラッシュランプ２が発光し、ＹＡＧロッド１に光を照射すると、ＹＡＧロッド１内の一部の原子が励起状態となり、ＹＡＧロッド１から光軸Ｌに沿って光が放出される。ＹＡＧロッド１からポラライザー４の方向（矢印Ａの方向）に放出された光は、図１に示すように、ブリュースター角となる入射角θで前記ポラライザー４に入射する。入射した光のうち、ｐ偏光はポラライザー４を透過し、ｓ偏光及び円（又は楕円）偏光はポラライザー４により反射されて光軸Ｌの外方へ進む。

ポラライザー４を透過した前記ｐ偏光は、前記λ／４波長板５に入射して９０°（π／２）の位相差を生じ、円偏光に変換され、ポッケルスセル６に入射する。ここで、ポッケルスセル６には電圧が印加されていないため、入射光を偏光せずに透過させる。したがって、ポッケルスセル６に入射した上記円偏光は、図１に示すように、円偏光のままポッケルスセル６を透過し、リアミラー３ｂに反射され、再度ポッケルスセル６を透過し、λ／４波長板５に入射する。

円偏光がλ／４波長板５に入射すると、さらに９０°（π／２）の位相差を生じ、ｓ偏光（すなわち、ＹＡＧロッド１から放出され、ポラライザー４を透過したｐ偏光とは、位相が１８０°（π）ずれた状態）に変換され、ポラライザー４にブリュースター角となる入射角θで入射する。ポラライザー４は上述の通り、ｓ偏光を反射する機能を備えるため、入射した前記ｓ偏光はポラライザー４に反射されて光軸Ｌの外方へ進む。

このように、ポッケルスセル６に電圧を印加しない状態においては、ＹＡＧロッド１から放出された光はポラライザー４により反射されてしまい、再びＹＡＧロッド１に入射しないため、光共振器３内での共振が発生せず、パルスレーザの発振が抑制される。

次に、前記ＹＡＧロッド１内の励起された原子の数が、パルスレーザとして出力したいエネルギーに必要な量となる（反転分布が十分大きくなる）まで上記の電圧非印加状態を維持した後、前記制御回路７ｂによって電圧印加回路７ａがポッケルスセル６に印加する電圧を変化させる。電圧印加回路７ａによってポッケルスセル６に所定の電圧が印加されると、ポッケルスセル６は光を偏光し、λ／４波長板５が機能する。

ポッケルスセル６に電圧が印加された状態において、ＹＡＧロッド１から矢印Ａの方向に放出された光は、図２に示すように、上記電圧非印加状態と同様、ポラライザー４によりｐ偏光に変換され、λ／４波長板５により円偏光に変換され、ポッケルスセル６に入射する。ポッケルスセル６に入射した光は、上記の通りポッケルスセル６が光を偏光し、λ／４波長板５が機能しているため、９０°（π／２）の位相差を生じ、ｓ偏光（すなわち、ＹＡＧロッド１から放出され、ポラライザー４を透過したｐ偏光とは、位相が１８０°（π）ずれた状態）に変換される。

このｓ偏光はリアミラー３ｂにより反射され、再度ポッケルスセル６に入射し、さらに９０°の位相差を生じ、円偏光（すなわち、ＹＡＧロッド１から放出され、ポラライザー４を透過したｐ偏光とは、位相が２７０°（３π／２）ずれた状態）に変換される。この円偏光は、λ／４波長板５に入射し、さらに９０°の位相差を生じ、ｐ偏光（すなわち、ＹＡＧロッド１から放出され、ポラライザー４を透過したｐ偏光とは、位相が３６０°（２π）ずれた状態）に変換される。

このｐ偏光は、ポラライザー４にブリュースター角となる入射角θで入射し、ポラライザー４を透過する。ポラライザー４を透過した光は、図２におけるＹＡＧロッド１の左側から入射し、ＹＡＧロッド１内で誘導放出を生じさせ、図２におけるＹＡＧロッド１の右側から放出され、フロントミラー３ａに反射され、ＹＡＧロッド１を図２における右側から左側に通過する。以下、同様の手順で光共振器３内を光が往復し、誘導放出により増幅されたコヒーレントな光の一部がフロントミラー３ａから矢印Ｂの方向にレーザとして出力される。

図３は、前記ポッケルスセル６に印加する電圧の変化と、出力されるパルスレーザの出力エネルギーの関係の一例を示すグラフである。本発明によるパルスレーザ発振器の実施形態において、前記制御回路７ｂによって、前記電圧印加回路７ａがポッケルスセル６に印加する電圧を、約０Ｖから約−４０００Ｖまで約１００ｎｓで変化させると、パルスレーザのピークエネルギーが約１３．０ｍＪ、パルス幅が約１０ｎｓとなっている。

また、図４は、前記ポッケルスセル６に印加する電圧の変化と、出力されるパルスレーザの出力エネルギーの関係の他の例を示すグラフである。本実施例においては、前記制御回路７ｂによって、前記電圧印加回路７ａがポッケルスセル６に印加する電圧を、約０Ｖから約−３０００Ｖまで約８００ｎｓで上記図３に示す実施例より緩やかに変化させており、パルスレーザのピークエネルギーが約０．６ｍＪ、パルス幅が約７０ｎｓとなっている。このように、電圧印加回路７ａにより印加する電圧の変化率を、制御回路７ｂによって小さくすることにより、パルスレーザのパルス幅を伸長させ、ピークエネルギーを低下させることができる。

さらに、図５は、前記ポッケルスセル６に印加する電圧の変化と、出力されるパルスレーザの出力エネルギーの関係のさらに他の例を示すグラフである。本実施例においては、前記制御回路７ｂによって、前記電圧印加回路７ａがポッケルスセル６に印加する電圧を、約０Ｖから約−１５００Ｖまで約３００ｎｓで変化させた後、約−１５００Ｖから約−４５００Ｖまでさらに６００ｎｓで変化させている。

図５に示すように、約０Ｖから約−１５００Ｖまでの電圧の変化と、約−１５００Ｖから約−４５００Ｖまでの電圧の変化との間では、電圧の変化率が１回変化している。すなわち、図５における約−１５００Ｖ前後での電圧のグラフの勾配が変化している。このように、電圧の変化率を段階的に変化させると、制御回路７ｂによって電圧の変化率を変化させる点（以下「制御点」という。）Ｃの後にもピークを生じさせることができる。本実施例においては、パルスレーザの第１のピークエネルギーが約０．５〜０．６ｍＪ、第２のピークエネルギーも同様に約０．５〜０．６ｍＪ、パルス幅が約１５０ｎｓとなっている。このように、制御回路７ｂによって電圧印加回路７ａがポッケルスセル６に印加する電圧の変化率を段階的に変化させることにより、出力されるパルスレーザのパルス幅を伸長させ、パルスレーザのピークエネルギーを低下させることができる。

なお、電圧印加回路７ａにより印加する電圧の変化率及び制御点Ｃの数は、必要なパルス幅及び出力エネルギーに応じて定めればよい。また、λ／４波長板５を使用せず、ポッケルスセル６にかえて、電圧の印加に応じてλ／２波長板として機能する電気光学素子を使用することとしてもよい。

１…ＹＡＧロッド（レーザ媒質）
２…フラッシュランプ（励起光源）
３…光共振器
３ａ…フロントミラー
３ｂ…リアミラー
４…ポラライザー（偏光子）
５…λ／４波長板
６…ポッケルスセル（電気光学素子）
７…電圧制御装置
７ａ…電圧印加回路
７ｂ…制御回路
Ｂ…レーザの出力方向を示す矢印
Ｃ…制御点
Ｌ…光軸
θ…入射角

Claims (3)

1. 光を発する励起光源と、該励起光源から光が照射されることにより光軸に沿って光を放出するレーザ媒質と、該レーザ媒質の両側端方に配置され前記レーザ媒質から放出された光を往復させて誘導放出を生じさせる光共振器とを備えたパルスレーザ発振器であって、
   前記光共振器内にて前記レーザ媒質の光軸上に、入射面に対して垂直な偏光成分を反射することにより入射面に対して平行な偏光成分だけを透過させる偏光子と、入射光の偏光成分に位相差を生じさせることにより直線偏光と円偏光との間で変換するλ／４波長板と、印加された電圧に応じて光を偏光する電気光学素子と、を備え、
   前記電気光学素子に接続され、該電気光学素子に電圧を印加すると共に前記印加する電圧の変化率を段階的に変化させる制御点を少なくとも１つ有するように構成した電圧制御装置を備え、
   前記電圧制御装置によって前記電気光学素子に印加する電圧を経時的に変化させ、レーザ光のパルス幅を制御してパルスレーザのパルス幅を伸長させ、該パルスレーザのピークエネルギーを低下させることを特徴とするパルスレーザ発振器。
2. 前記偏光子は、前記レーザ媒質の光軸に対して傾いて設置され、入射面に対して平行な偏光成分であるｐ偏光だけを透過させるシャッターの役割を果たすことを特徴とする請求項１に記載のパルスレーザ発振器。
3. 前記電気光学素子は、ポッケルスセルであることを特徴とする請求項１又は２に記載のパルスレーザ発振器。