JPH02130990A

JPH02130990A - パルスレーザ発振装置

Info

Publication number: JPH02130990A
Application number: JP28385388A
Authority: JP
Inventors: Shigenori Fujiwara; 藤原　重徳
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-11-11
Filing date: 1988-11-11
Publication date: 1990-05-18
Anticipated expiration: 2012-03-19
Also published as: JP2592938B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、パルスレーザ発振装置に係り、特にインジェ
クションロック方式によるパルスレーザ発振装置に関す
る。

（従来の技術）従来より、高品質のレーザ光を得る方法として学術分野
ではインジェクションロツタによる方法が知られている
。

これは、親となるレーザと子となるレーザを組合せ、こ
の親となるレーザから弱い種となるレーザ光を子となる
レーザに導入し、子となるレーザの強力なレーザ励起領
域のゲインを用いて親となるレーザ光と同質の強力なレ
ーザ光を得る方法である。

ここで、学術用語として親となるレーザをマスターレー
ザ、またその発振器をマスターオシレータとよぶ、そこ
で、以後はマスターレーザ、マスターオシレータと呼ぶ
ことにする。そして、同様に子となるレーザは、スレー
ブレーザ、スレーブオシレータと呼ぶこととする。

第２図に、従来の学術研究の分野で用いられてきたイン
ジェクションロック方式によるパルスレーザ発振装置を
示す。

図において、構成を説明する。マスターオシレータ１か
ら出射したレーザ光はインジェクシ１ンミラー５を介し
てスレーブオシレータ２の共振器光軸上に導入される。

インジェクションミラー５から導入されたマスターレー
ザ光はスレーブオシレータ２の内部にある強力なレーザ
励起領域を通過する。

このスレーブオシレータ２はこのインジェクシ１ンミラ
ー５と励起領域８を挟んで出力ミラー３とリアミラー４
からなる共振器を持っている。またこの出力ミラー３に
は導入したレーザ光とスレーブオシレータ２の共振器長
との同調のための共振器長制御のためピエゾ素子６が設
けられている。

次に動作について説明する。マスタレーザにおいてはグ
レーチングを用いる、エタロンを用いる等種々の方法に
より微弱ではあるが非常に高品質のレーザ光が作り出さ
れる。しかしここでは非常に微妙な光学素子が用いられ
、それらのレーザ光に対する耐力がないため出力を得る
ことが出来ない。

そこで、この微弱なレーザ光を強力な励起領域を持つス
レーブオシレータ２に導入してスレーブオシレータ２の
共振器中でその励起領域のゲインを用いて成長させ強力
なレーザ光を得るものである。

（発明が解決しようとするｉｌＭ）従来のレーザ発振器は以上のように構成されているが、
これらは研究室レベルで行われたものであるので装置の
操作性やアライメントのしやすさなどは考慮されていな
い、また、装置としては小規模なものが多く工業用に用
いられるような大規模の装置は考えられていない。

本発明は、上記のような課題を解消し、一般工業レベル
で用いることの出来るインジェクション方式によるパル
スレーザ発振装置を得ることを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）本発明によるインジェクション方式によるパルスレーザ
発振装置は、次のように構成されている。

■　マスターレーザ光をスレーブレーザに導入する際に
マスターレーザとスレーブレーザを結ぶ光軸上にコリメ
ータを設けてマスターレーザ光のビーム径を変更しスレ
ーブオシレータに導入する様に構成されている。

■　マスターレーザ光をスレーブレーザに導入する際に
マスターレーザとスレーブレーザを結ぶ光軸上にマスタ
ーレーザ光に対してはほぼ全透過であり可視のある特定
の波長に対してはほぼ全反射であるコンバインドミラー
を設けマスターレーザ光上に可視のレーザ光を重畳させ
る様に構成されている。

■　マスターレーザからのレーザ光をスレーブレーザの
共振器中に導入するためのインジェクションミラーがマ
スターレーザ光に対してはその反射率が２から２０％で
あり、マスターレーザ光上に重畳させた可視のレーザ光
に対してはその反射率が５０％程度であるように設定さ
れている。

（へ）スレーブレーザの共振器中にスレーブレーザのレ
ーザ光に対してはほぼ全透過であり可視のある特定の波
長に対してはほぼ全反射であるコンバインドミラーを設
け、スレーブレーザ光上に可視のレーザ光を重畳させる
様構成されている。

■　スレーブレーザの共振器中にスレーブレーザのレー
ザ光に対してはほぼ全透過であり可視のある特定の波長
に対してはほぼ全反射であるコンバインドミラーが角度
を変更することにより実効的な共振器長を変更する機能
を果たすフェイズシフターとして構成している。

０　ふたつのレーザのレーザ光を重ね合わせるためふた
つのレーザの交点となるところに設けられたミラーを含
めて導入するレーザ光軸上に２枚以上のミラーを持ちそ
の内の２枚のミラーが連動して動く様に構成している。

■　マスターレーザの光軸とスレーブレーザとの光軸を
マスターレーザのレーザ光はインジェクションミラーの
透過光としてまたスレーブレーザのレーザ光はこのイン
ジェクションミラーからの反射光として観測出来るよう
に構成している。

■　マスターレーザのレーザ光をスレーブレーザの共振
器中に導入した後、そのスレーブレーザの共振器の軸と
導入したマスターレーザのレーザ光の光軸をスレーブレ
ーザの共振器中に設けられたレンズにより光軸の角度を
レンズの焦点における位置として変換してａｉ８！！出
来るように構成されている。さらに、このレンズはその
主軸がスレーブレーザの光軸と一致するように配置でき
るような機械精度を持って光軸上に出し入れすることが
出来るように構成されている。

（作用）以上のような構成を有する本発明の作用は次の通りであ
る。

■　マスターレーザとスレーブレーザではその発振器の
大きさが異なりマスターレーザ光をスレーブレーザに導
入する際にビーム径が一致しなかった。そこでマスター
レーザとスレーブレーザを結ぶ光軸上にコリメータを設
けてマスターレーザ光のビーム径を変更しスレーブオシ
レータのビーム径と一致するようにあわせてスレーブオ
シレータに導入する。これにより、マスターレーザから
のレーザ光がスレーブレーザの共振器中を総て満たすよ
うになり効率よくマスターレーザ光を利用しインジェク
シ目ンロックの精度を高めることが出来る。

■　一般にマスターレーザのレーザ光が紫外領域の光や
赤外領域の光である場合はその光軸が観測できない、そ
こで、マスターレ・−ザ光をスレーブレーザに導入する
際にマスターレーザとスレーブレーザを結ぶ光軸上にマ
スターレーザ光に対してはほぼ全透過であり可視のある
特定の波長に対してはほぼ全反射であるコンバインドミ
ラーを設けマスターレーザ光上に可視のレーザ光を重畳
させることにより、そのマスターレーザの光軸を観測で
きるようにすることが出来る。

■　前述のようにマスターレーザのレーザ光が紫外領域
の光や赤外領域の光である場合はその光軸が観測できな
い、そこで、マスターレーザ光をスレーブレーザに導入
する際にマスターレーザ光に可視のレーザ光を重畳させ
るが、共振器中に用いるミラーは発振するレーザに対し
て適切なものでなければならない、そこでこのインジェ
クションミラーはマスターレーザ光に対してはその反射
率が２から２０％である様に設定する。この反射率が余
りに小さいとマスターレーザからのレーザ光がスレーブ
レーザの共振器中に充分導入されずインジェクションロ
ックがうまくかからない、また。

反射率が高過ぎると共振器内部での損失が多くなり過ぎ
レーザ発振の効率が悪くなってしまう、つぎにこのイン
ジェクションミラーはマスターレーザ光をスレーブレー
ザ光軸上にのせる機能を果たさなくてはならない、その
ときにはマスターレーザ光を観測する必要がありそのた
めには、マスターレーザ光に重畳させた可視のレーザ光
が有用である。そして、この可視のレーザ光を光軸上で
観測するためにはこのインジェクションミラーはこの可
視のレーザ光に対しである程度の反射率を持たなくては
ならない、この反射率がひく過ぎると光軸が観測できな
いしまた全反射のように高過ぎるとりアミラーあるいは
出力ミラーからの反射光が観測できなくなる。そこで、
このインジェクションミラーのこの可視のレーザ光に対
する反射率を５０％程度にすることによりこれが実現す
る。

に）前述と同様にスレーブレーザの共振器中にスレーブ
レーザのレーザ光に対してはほぼ全透過であり可視のあ
る特定の波長に対してはほぼ全反射であるコンバインド
ミラーを設け、スレーブレーザ光上に可視のレーザ光を
重畳させることによりスレーブレーザの光軸を観測でき
るようになり目視によりスレーブレーザの共振器がアラ
イメント出来るようになる。また、このとき出力ミラー
もこの可視のレーザ光が透過するような材質のミラーを
用いた場合にはスレーブレーザからの出射光の光軸とこ
の可視のレーザ光は重なることとなりその光軸が観測で
きるようになる。

１５４項記載のコンバインドミラーのミラー厚みを適切
に設定するとミラーの角度を変えることによりミラー通
過光路中の実効長を変えることになりスレーブレーザの
実効的な共振優長を変更する機能を持たせることが出来
る。

６２枚のミラーが連動して動く様に構成することにより
レーザ光の光軸を非常に薄側に平行移動させることが出
来る。また操作も−か所だけでよくなる。

■　マスターレーザのレーザ光はインジェクションミラ
ーの透過光としてまたスレーブレーザのレーザ光はこの
インジェクションミラーからの反射光としてマスターレ
ーザの光軸とスレーブレーザとの光軸を観測出来るよう
にすることにより、このふたつの光軸が一致しているか
どうかでインジェクション側の７ライメントが正しいか
どうかが判別できる。また、その位置を計測することに
よりインジェクション側のレーザ光のアライメントを行
なうことが出来る。

■　レンズはその主軸がスレーブレーザの光軸と一致す
るように配置できろような機械精度を持って光軸上に出
し入れすることが出来るようにし、マスターレーザのレ
ーザ光をスレーブレーザの共振器中に導入した後、その
スレーブレーザの共振器の中においてマスターレーザの
レーザ光の光軸をスレーブレーザの共振器中に設けられ
たレンズにより光軸の角度をレンズの焦点における位置
として変換してａｍ出来るようになり、マスターレーザ
からのインジェクション光のアライメントが面側になる
。これは、レンズに入射したレーザ光に角度がついてい
る場合、その入射光の角度が主軸に対してθずれている
とするとそのレーザ光はレンズの主軸上の焦点位置には
集光せず焦点位置からレンズの焦点距離ｆと角度ずれθ
の積、ｆθだけずれるようになることを用いるものであ
る。

（実施例）本発明の実施例を図を用いて説明する。第１図は本発明
の一実施例によるインジェクションロック方式によるレ
ーザ発振器である。

ここでは、マスターオシレータ１として連続発振のＣ０
２レーザ、スレーブオシレータ２としてＴＥＡＣＯ□レ
ーザが用いられている。これらＧＯ，レーザは赤外光で
あり、目で見えないため、重畳用の可視のレーザとして
ｔ（ｅ　Ｎ　ｅレーザ１１が用意されている。

もちろん、これらレーザには電源、制御が設けられてい
るがここでは図中に示していない、マスターオシレータ
は内部にグレーティングをもち波長選択が行われる。さ
らに発振縦モードはシングルであり縦モードの安定化機
構としてスタビライザ１５が設けられている。

スレーブオシレータの共振器は平面のりアミラー４と曲
率をもった出力ミラー３とから構成され、リアミラーに
はピエゾ素子６が設けられており。

ピエゾドライバ７により駆動される。そして、このピエ
ゾ素子が伸び縮みすることにより共振器長が変化させら
れる。

マスターレーザの光軸上にはＨｅＮａレーザ光が金蒸着
されたミラー面を持つミラー１４ｃとＺｎ５ｅ製のコン
バインドミラー１０を介して重畳させられる。

このＺｎ５ｅｌｌのコンバインドミラーには、ＣＯル−
ザの波長１０．６ミクロン帯においてはａｒ／ａｒコー
ティングが成されておりＨｅＮｅレーザ光の波長０．６
ミクロン帯では９５％以上の反射率を持つようコーティ
ングが成されている。

そして、このミラー１４ｃとコンバインドミラー１０は
その角度が連動して動くように連結されている。

この可視光を重畳されたマスターレーザ光はコリメータ
９に入射する。ここで、ビーム径が約３閣程度であった
マスターレーザ光は′ｉＲ畳されたＨｅＮｏレーザ光と
ともに３倍に拡大される。

この拡大されたマスターレーザ光は金属ミラー１４ａと
１４ｂにより、スレーブオシレータの共振器中に設けら
れたインジェクションミラー５に入射される。

インジェクションミラーはＣＯ２レーザの波長１０゜６
ミクロン帯においては１０％反射となるようコーティン
グが成されている。そして、一般にＺｎ５ａＷｉのミラ
ーではその素材の特性からＨｅＮｅレーザ光の波長０．
６ミクロン帯では６０％程度の反射率をもつようになっ
ている。

インジェクションミラーにより反射されたマスターレー
ザ光はスレーブオシレータの光軸上へ入射する。この入
射したスレーブオシレータの共振器光軸上にはビーム径
を制限する機能を持つアパーチャ１３が設けられている
。このアパーチャ径はスレーブオシレータの発振横モー
ドをシングルにするのに適切なようφＬｏｗに設定され
ている。

アパーチャを通過したマスターレーザ光はスレーブレー
ザの放電部のレーザ励起領域８を通過する。そして、リ
アミラー４に到達して反射されスレーブオシレータの共
振器中を往復する。

リアミラー直前にはＺｎ５ａ製のＣＯ２レーザの波長１
０．６ミクロン帯においては無反射となるようコーティ
ングが成された厚み１５ｍ５＋のフェイズシフター１２
が設けられている。ここでもＨｅＮａレーザ光がミラー
１４ｃとこのフェイズシフターとによりスレーブオシレ
ータの光軸上に重畳されている。

また、インジェクションミラーの背後にはレーザ光のビ
ームモニター板６が設けられているこのビームモニター
板は蛍光板であり紫外線を当てると発光するがＣＯ２レ
ーザ光の照射により発光がきえ黒く見えるものである。

ここでは、インジェクションミラーを透過したマスター
レーザ光と発振したスレーブレーザの共振器光軸からイ
ンジェクションミラーにより取り出されたスレーブレー
ザ光がａ測できる。

第３図には、レンズを用いた光軸の観測機構のみを取り
出して説明のための構成図を示した。レンズ１７はシリ
ンダー１８に接続されて駆動されスレーブレーザの光軸
と直交するように配置されたガイド１９の中を移動する
。マスターレーザの光軸を１１２１１１するときは光路
中に挿入されスレーブレーザが発振するときには光路上
から待機した位置におかれる。

第４図（ａ）、　（ｂ）には連動して動く２枚のミラー
の駆動機構の説明のための構成図を示した。ミラー１４
は、支点２１により支持されている。そして２枚のミラ
ーは連結バー２１により接続されている。

この連結バーとミラーとの接続点は二つのミラーとも支
点との距離を等しくしである。そうすることにより１片
方のミラーを動かすと他方のミラーも同じ角度だけ動く
ようにすることができる。このとき、上面および側面に
おいて接続することにより上下方向と左右方向のいずれ
において同じ様に動くようにすることができる。

また、第５図（ａ）、（ｂ）には、その動作原理図を示
した。

第６図（ａ）　、　（ｂ）には、インジェクションミラ
ーの反射率の選定理由を示した。

以上のような構成を有する本実施例の作用は次の通りで
ある。

コリメータを用いることによりビーム径３−のマスター
レーザ光を３倍にして９ａｍとしてスレーブレーザのビ
ーム径１０ｍとほぼ一致させることが出来る。

また＋ｌ　ｅ　Ｎ　ｅレーザ光を各々のｃ０２レーザ光
に重ね合わせることにより目視により観測できるように
なり光軸のアライメントが大変楽に行えるようになる。

マスターレーザの出力ミラーから出射されるレーザ光に
もＨｅＮｅレーザ光が重ね合わせられることとなり、ス
レーブレーザのレーザ光を用いるときのアライメントに
おいても大変便利になる。

ビームモニター板ではマスターレーザの光軸とスレーブ
レーザの光軸の一致度が目視により確認できる。

レンズを用いることでは位置だけの観測では判別できな
かった光軸の角度の変化量を検出することが出来る。こ
の作用を第３図を用いて説明する。

レンズの主軸と角度がθだけずれて入射したレーザ光は
その焦点をレンズの主軸がらｄ＝ｆθの関係となる位置
へ結ぶ、そのため、見かけ上は中心にあったように見え
たレーザ光が角度ずれをしていることを検出することが
できる。

ミラーを連動して動くようにしたことにより得られる効
果を第５図を用いて説明する。いま２枚のミラーが平行
に保たれて配置されているとする。

このとき、レーザ光が角度αで入射したとすると。

この入射光は平行の幾何学の原理により二枚口のミラー
に対しても角度αで入射することになる。

また、このときの入射光と出射光は平行である。

次に、２枚のミラーが角度をＸだけ変更し入射光の角度
βとなったとする。このとき２枚のミラーの角度は平行
に保たれているものとする。すると前述同様に二枚口の
ミラーへの入射光の角度はβとなり入射光と出射光も平
行となる。しかしこのとき、この入射光と出射光との距
離ｄ、とｄ３が異なったものとなりビームが平行移動し
たことになる。

第６　ｖ４ａにインジェクションロック方式の共振器の
主要部分を示しそのインジェクションミラーの反射率を
Ｘ％としりアミラーの反射率はほぼ１００％であるとし
てリアミラーから帰ってきた光が再度インジェクション
ミラーを通って出力ミラーへ到達する割合をａとしたと
きの関係式を示した。この関係式をグラフとして示した
ものが第６図すである。このグラフで判るように出力ミ
ラー位置で可視のレーザ光が一番明るく見えるのは透過
率が５０％の時である。ただし、この範囲はかなり広く
可視光の強度を入射時の強度の２０％迄認めるとすると
約３０％から７０％でよいことになる。

本実施例により、インジェクションロック方式によるレ
ーザ発振器における安定度を向上させそのアライメント
の精度を高めやりやすくすることができた。

なお、前記実施例においては、ＣＯ□レーザについての
みの実施例を示したがレーザのｍＭはなんでも良く例え
ばエキシマレーザやＣＯレーザでも良い。

〔発明の効果〕

以上説明したように１本発明により、インジェクション
ロック方式によるパルスレーザ発振装置における安定度
を向上させそのアライメントの精度を高めやりやすくす
ることができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるインジェクションロック方式によ
るパルスレーザ発振装置の構成図、第２図は従来から用
いられてきたインジェクションロック方式によるパルス
レーザ発振装置の構成図、第３図はレンズを用いた光軸
のｗ４測機構のみを取り出して説明のための構成図、第
４図は連動して動く２枚のミラーの駆動機構の説明のた
めの構成図、第５図はその動作原理図、第６図はインジ
ェクションミラーの設定理由の説明図である。１・・・マスターオシレータ２・・・スレーブオシレータ３・・・出力ミラー４・・・リアミラー５・・・インジェクションミラー６・・・ピエゾ索子７・・・ピエゾドライバ８・・・励起領域９・・・コリメータｌＯ・・・コンバインドミラー１１　・＝　ＨｅＮｅレーザ１２・・・フェイズシフター１３・・・アパーチャ１４ａ・・・ミラー１４ｂ・・・ミラー１４ｃ・・・ミラー１５・・・スタビライザ１６・・・モニター板１７・・・レンズ１８・・・シリンダ１９・・・ガイド２０・・・支点２１・・・連結バー代理人　弁理士　則　近　憲　佑同　　第子丸　健第（皮フ第図工； χ （１００−χ）（久）インジェクシ１シミラーの“司°ｇ光のＳＳ争（ｂ）第図

Claims

【特許請求の範囲】

１．親となるレーザと子となるレーザを持ち親となるレ
ーザから弱い種となるレーザ光を子となるレーザに導入
し子となるレーザの強力なレーザ励起領域のゲインを用
いて親となるレーザ光と同質の強力なレーザ光を得るイ
ンジェクション方式によるレーザ発振器において、親と
なるレーザ光を子となるレーザに導入する際に親となる
レーザと子となるレーザを結ぶ光軸上にコリメータを設
けて親となるレーザ光のビーム径を変更したことを特徴
とするインジェクションロック方式によるパルスレーザ
発振装置。
２．親となるレーザ光を子となるレーザに導入する際に
親となるレーザと子となるレーザを結ぶ光軸上に親とな
るレーザ光に対してはほぼ全透過であり可視のある特定
の波長に対してはほぼ全反射であるコンバインドミラー
を設け親となるレーザ光上に可視のレーザ光を重畳させ
たことを特徴とするインジェクションロック方式による
パルスレーザ発振装置。
３．親となるレーザからのレーザ光を子となるレーザの
共振器中に導入するためのインジェクションミラーが親
となるレーザ光に対してはその反射率が２から２０％で
あり、第２項に於て記述の親となるレーザ光上に重畳さ
せた可視のレーザ光に対してはその反射率が５０％程度
であることを特徴とするインジェクションロック方式に
よるパルスレーザ発振装置。
４．子となるレーザの共振器中に子となるレーザのレー
ザ光に対してはほぼ全透過であり可視のある特定の波長
に対してはほぼ全反射であるコンバインドミラーを設け
子となるレーザ光上に可視のレーザ光を重畳させたこと
を特徴とするインジクションロック方式によるパルスレ
ーザ発振装置。
５．子となるレーザの共振器中に子となるレーザのレー
ザ光に対してはほぼ全透過であり可視のある特定の波長
に対してはほぼ全反射であるコンバインドミラーが角度
を変更することにより実効的な共振器長を変更する機能
を果たすフエイズシフターであることを特徴とするイン
ジェクションロック方式によるパルスレーザ発振装置。
６．ふたつのレーザのレーザ光を重ね合わせるためふた
つのレーザの交点となるところに設けられたミラーを含
めて導入するレーザ光軸上に２枚以上のミラーを持ちそ
の内の２枚のミラーが連動して動くことを特徴とするイ
ンジェクションロック方式によるパルスレーザ発振装置
。
７．親となるレーザの光軸と子となるレーザとの光軸を
親となるレーザのレーザ光はインジェクションミラーの
透過光としてまた子となるレーザのレーザ光はこのイン
ジェクションミラーからの反射光として観測しその光軸
を一致させることを特徴とするインジェクションロック
方式によるパルスレーザ発振装置。
８．親となるレーザのレーザ光を子となるレーザの共振
器中に導入した後、その子となるレーザの共振器の軸と
導入した親となるレーザのレーザ光の光軸を子となるレ
ーザの共振器中に設けられたレンズにより光軸の角度を
レンズの焦点における位置として変換して観測しそれら
光軸を一致させることを特徴とするインジェクションロ
ック方式によるパルスレーザ発振装置。