JPH02309686A - 固体レーザ装置 - Google Patents

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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、固体レーザ装置から発生されるレーザビーム
の高品質化に関するものである。

［従来の技術］ 第１３図は、たとえばレーザハンドブック（オーム社、
昭和５７年）に示された従来の固体レーザ装置を示す断
面構成図であり、図において（１）は固体素子で、たと
えは’ｒ’ＡＧレーザを例に取れは、Ｙ３−ｘＮｃｌｘ
Ａｌｓｏ＋２よりなるロッド状の結晶、（３）はフラッ
シュランプ、り４）はフラッシュランプ（３）を点灯す
るための電源、（５）は集光反射ミラー、（６）はたと
えはガラスでてきた出口ミラー、（７）は出口ミラー（
６）の内面にもうけられた、たとえばＴｉＯ２よりなる
部分反射膜、（８）は出口ミラーの外面および固体素子
（＋）の両側面にもうけられた、たとえばＳｉＯ２より
なる無反射膜、（９）はレーザ共振器内のレーザビーム
、（１０）は外部に取り出されたレーザビーム、（１２
）は外ワク、（２０）は全反射ミラーである。

次に動作について説明する。

固体素子（１）は電源（４）により点灯されたフラ・ソ
シュランブ（３）からの直接光および集光反射ミラー（
５）よりの反射光により励起され、レーザ媒質をなす。

一方、内面にもうけられた部分反射膜（７）により部分
反射率を持った出口ミラー（６）と全反射ミラー（２０
）とからなる、いわゆる安定型共娠器内に閉じこめられ
たレーザビーム（９）は、両ミラー間を往復するごとに
、このレーザ媒質により増幅され、ある一定収上の大き
さになると、その一部が出口ミラー（６）を通して外部
にレーザビーム（１０）として放出される。

第１４図にその発振出力特性の一例を示す。ここで、固
体素子（１）はＹ２．４Ｎｄｓ、５ＡｌｓＯ＋２よりな
り、断面の直径８ｍ＋ｎ、長さ１５０ｍｍである。また
、出口ミラー（６）、及び全反射ミラー（２０）の内面
の曲率はともに０　、４ｍ、　　両ミラー間の距離は０
　、４５ｍ、　　出口ミラーの反射率は７０　Ｘである
。また、投入電力とはフラッシュランプの点灯に消費さ
れた電力であり、６ｋＷの投入電力で約１００　Ｗのレ
ーザ出力が得られている。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の固体レーザ装置は以上のように安定型共振器を用
いているため、発生するレーザビームは発散角の大きい
、いわゆる高次モードである。この高次モードの度合の
指標としては、共振器内に発生しうる位相の揃った最低
次モードの断面積とレーザ媒質との断面直径との比があ
る。この例では最低次モードは正規分布を持つ、いわゆ
るガウスビームとなるため、その強度が中心のｌ／ｅ２
となる点て定義した断面直径φθは両ミラー間の距離し
、レーザビームの波長入として φ８：２（λＬ／　２Ｔｔ　）”＝０．５５ｍｍと計算
される。

一方、レーザ媒質の断面直径は８　ｍｍであるから、両
者の比は約１５とたいへん大きく、この（１σから経験
的に１００次以上の高次モードが発生していると予測さ
れる。高次モードの次数は実験的には発生されたレーザ
ビームの発散角を測定することにより行なわれ、この例
では、発散角は１０　ｍｒａｄと把握され、対応する高
次モードの次数としてｌＯＯ次程度であると計算された
。この発散角の大小はレーザビー１１の集光性能そのも
のといえる。

これは、焦点距離ｆの集光レンズによる集光スポット径
φ、が、概略的に発散角θに対してφ、＝ｆ・θ で表され、したがって発散角の大小に比例して、集光ス
ポット径の大小が決定されるためである。

ここでの１０　ｍｒａｄという値を市販のＣＯ２レーザ
と比較すると約１０倍であり、したがって従来の固体レ
ーザ装置の集光性能は、ＣＯ２レーザ装置の１／１０で
あると言える。

本発明は上記のような問題点を解消するためになされた
もので、発散角の小さいレーザビームを高出力で発生さ
せることのできる固体レーザ装置を得ることを目的とす
る。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係わる固体レーザ装置は、ネガティブブランチ
の不安定型共振器を用いるとともに、不安定型共振器内
に発生した焦点近傍を真空に保つようにしたものである
。

また、上記不安定型共振器を構成する出口ミラーとして
は、中央部が部分反射率を有し、周囲部が中央部に比較
して低い反射率を有するようにするとよい。

［作用］ 本発明におけるネガティブブランチの不安定型共振器は
、最低次のレーザビームを発生させる。

また、共１辰器内の集光点近傍を真空に保つことにより
、高出力ビームが集光されることによる共振器内集光点
近傍の大気の加熱による共振器の不安定性の発生を防ぐ
とともに、さらに集光点近傍での気中破壊を防ぐ。

さらに不安定型共振器を構成する出口ミラーとして、中
央部と周囲部とで透過率分布を有するようにすることに
より、中詰まり状の高集光レーザビームを発生させるこ
とができる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を第１図について説明する。第
１図において、（＋）は固体素子で、たとえばＹＡＧレ
ーザを例に取れば、Ｙ：＋−ｘＮｄｘＡ１５０＋　２よ
りなるロッド状の結晶、（２）はこのロッド端面にもう
けられた全反射ミラーで、拡大ミラーをなす。

（３）は励起光源であり、例えはアークランプ、フラッ
シュランプ、（４）は励起光源（３）を点灯するための
電源、（５）は集光反射ミラー、（６）はたとえばガラ
スでてきた出口ミラーで、コリメートミラーをなす。（
７）は出口ミラー（６）の内面中央部に設けられた、た
とえばＴｉＯ２よりなる部分反射膜、（８）は出口ミラ
ー内面の部分反射膜（７）の周囲部、出口ミラー（６）
の外面、さらに固体素子（１）の側面に各々設けられた
、たとえはＳｉＯ２よりなる無反射膜、（９）、（１１
）は出口ミラー（６）と全反射ミラー〈２）からなるレ
ーザ共振器内に発生したレーザビーム、（１０）はレー
ザ共振器外部に取り出されたレーザビーム、（１２）は
外ワク、（３０）は真空容器、（３１）はウィンドーで
ある。

次に動作について説明する。

固体素子（１）は電源（４）により点灯された励起光源
（３）からの直接光および集光反射ミラー（５）よりの
反射光により励起され、レーザ媒質をなす。一方、出口
ミラー（６）と全反射ミラー（２０）とからなるレーザ
共振器内に発生したレーザビーム（９）、（１１）は、
両ミラー間を往復するごとに、このレーザ媒質により増
幅され、ある一定量上の大きさになると、その一部が外
部にレーザビーム（１０）として放出される。

レーザ共振器についてさらに詳しく説明する。

出口ミラー（６）と全反射ミラー（２）とはいわゆるネ
ガティブブランチの不安定型共振器を構成している。レ
ーザビーム（１１）は固体素子（１）で増幅されたのち
、全反射ミラー（２）により集光されるとともに、固体
素子（１）により増幅され、レーザビーＪ、（９）とな
り、このレーザビーム（９）の周囲部は出口ミラー（６
）の内面周囲部の無反射膜の作用により、そのほとんど
が外部に放出され、また中央部はその一部が出口ミラー
＜６）の部分反射膜（７）の作用により外部に取り出さ
れ、のこりの部分はレーザビーム（１１）として再びレ
ーザ共振器内を往復する。したがって外部のレーザビー
ム（１０）は中詰まり状となっている。またこのような
不安定型共振器では位相の揃った最低次モードと高次モ
ードとの損失の差が安定型共振器にくらべて大きいため
、数回往復後発生するレーザビームは最低次モードのも
ののみとなる。また、出口ミラーの外面の曲率半径は内
面の曲率半径より小さく、メニスカス状にし、出射ビー
ムをほぼ平行光にしている。これらのことから結局、等
位相の中詰まり状という最も理想的なレーザビームが得
られる。

第２図はその発振出力特性の一例を示すものである。こ
こで固体素子（１）はランプにより励起されたＹ２４Ｎ
ｄｌ！、５Ａｌｓｏ＋　２であり、その断面の直径は８
ｍｍ、長さは１５０ｍｍ、出口ミラー（６）、及び全反
射ミラー（２０）の内面の曲率は、それぞれ０　、４８
ｍ、　　０　、８ｍ、両ミラー間の距離は０．４４−　
出口ミラーの内面中央部の部分反射膜（７）の反射率は
８０％である。また投入電力とはランプの点灯に消費さ
れた電力であり、６に讐の投入電力で、約ｔｏｏ　ｖの
レーザ出力が得られている。

第３図にレンズでレーザビー１１を集光したパターンを
、レーザ出力１００　Ｗにおいて、本発明の一実施例の
固体レーザ装置によるものく第３図（ａ））と従来の固
体レーザ装置によるもの（第３図（ｂ））とを比較して
示す。本発明によるものでは従来の約１／４０程度にパ
ターンの幅が縮小されているばかりでなく、中実軸上強
度は１０００１Ｅ４以上になっていることがわかる。

発明者らはこの実験の前に、真空容器（３０）を用いず
に実験を行なった。しかしながらこの場合には発振出力
の増大にともないレーザ出力が不安定となり、最大で１
０２以上ふらつくことがあった。

その原因を詳細に調べたところ、共振器内部の集光点で
の集光密度がレーザ出力ｔｏｏｗの場合について２０ｋ
Ｗ／ｃｍ２にも達し、この高集光レーザビームが焦点近
傍の大気に吸収され、その温度を上昇させ、大気の状態
を不安定にしていることを見いだした。

この考察にもとずき、集光点近傍を第１図に示すように
真空容器の中に保持し、集光点近傍での温度上昇を防ぐ
ように構成したところ、レーザ出力の安定化が実現でき
た。

また、例えば第４図に示すように、ボッケル素子等のＱ
スイッチ素子（４０）を共振器内に挿入して高尖塔１ａ
のレーザ出力を得た場合において、真空容器（３０）が
ない場合には、共振器内の集光点近傍でレーザビームの
集光により発生した高い電界強度により、電中破壊が起
き、レーザ発振が停止することもあったが、この気中破
壊についても第４図に示すように、集光点近傍を真空容
器内に保持することにより、完全に抑制することがでｊ
た。

なお、上記実施例では出口ミラー内面中央部が部分反射
膜で、周囲部が無反射膜よりなるものを示したが、出口
ミラーは中央部より周囲部にいくにつれて徐々に反射率
が低くなるようなものでもよい。

また、出口ミラーは中央部が全反射性を持つものでも良
く、この場合にはリング状のレーザビームが発生され、
そのリング状に起因する回折光により、集光性能は悪化
するが、従来例にくらべれは十分に高品質なレーザビー
ムを発生させることができる。

また、上記実施例では出口ミラー内面の中央部と周囲部
とを通過するレーザビーム間の位相差は小さく、問題と
ならなかフたが、部分反射膜（７）の構成によってはこ
れが問題となることも考えられ、その場合には両レーザ
ビーム間の位相差を打ち消す手段をもうけてもよく、例
えば第５図に示すように、出口ミラー外面に段差（７０
）をもうけて実現できる。

さらに、上記実施例では出口ミラーをメニスカス状にし
、出射ビームをほぼ平行光にしているが、出口ミラーの
外に設けたレンズにより平行光となるようにしてもよい
。

また、上記実施例では全反射ミラー（２）は固体素子の
側面に形成するものを示したが、第６図に示すように両
者を分離してもよい。また固体素子も第７図及び第８図
に示すように、出口ミラーの近傍に配置してもよい。

また上記実施例では全反射ミラー（２）からは集光状の
レーザビームが反射されて来る例を示したが、平行状の
レーザビームが反射されるようにしてもよく、第１図、
第６図、第７図、及び第８図に対応して、第９図、第１
０図、第１１図および第１２図に示すような変形例が考
えられる。

また上記実施例では集光点近傍に真空容器（３０）を配
設して共振器内の焦点近傍を真空に保つ例を示したが、
外ワク（１２）内を真空に排気して真空容器を兼用して
も良いことは言うまでもない。

［発明の効果］ 以上のように、本発明によればネガティブブランチの不
安定型共振器を用いると共に、共振器内部の集光点近傍
を真空に保つ手段を備えたので、発散角の小さい高品質
のレーザビームを高出力領域においても、安定に発生さ
せることができる効果がある。

さらに、不安定型共振器を構成する出口ミラーとして、
中央部が部分反射率を有し、周囲部が中央部に比較して
低い反射率を有するものを用いると、集光性のよい中詰
まり状の高品質ビームを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による固体レーザ装置を示す
断面構成図、第２図はその出力特性を示す特性図、第３
図（ａ）、（ｂ）は各々本発明の一実施例、及び従来の
固体レーザ装置における集光パターンを示す特性図、第
４図ないし第１２図は各々本発明の他の実施例による固
体レーザ装置を示す断面構成図、第１３図は従来の固体
レーザ装置を示す断面構成図、並びに第１４図は従来の
固体レーザ装置におけるレーザ出力を示す特性図である
。 （１）・・・固体素子、（２）、（２０）・・・全反射
ミラー、（３）・・・光源、（６）・・・出口ミラー、
（７）・・・部分反射膜、（８）・・・無反射膜、（９
）、　（１０）、　（１１）・・・レーザビーム、（３
０）・・・真空容器、（３１）・・・ウィンドーなお、
図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ媒質をなす固体素子、この固体素子を励起
   する光源、複数のミラーにより構成されたネガティブラ
   ッチの不安定型共振器、及び上記不安定型共振器内に発
   生する集光点近傍を真空に保つ手段を備えた固体レーザ
   装置。
2. （２）不安定型共振器の出口ミラーは中央部が部分反射
   率を有し、周囲部が中央部に比較して低い反射率を有す
   るものである請求項１記載の固体レーザ装置。