JPH0249485A - 光共振器を圧電的に同調する方法および圧電的に同調させられる光共振器 - 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〕 本発明は、全体として改良した圧電的に同調される改良
した光共振器に関するものであシ、更に詳しくいえば、
圧電的に同ル２ｔさせられるリングレーザに関するもの
である。

〔従来の技術〕

レーザダイオードによシポンピングされるモノリシック
レーザによって振動数が安定している単一モードレーザ
を製作できるようＫなった。振動数が安定している単一
モードレーザはコヒーレント通信、レーザレーダ、およ
び高調波変換による可視光の発生において多くの用途を
有する。それらの用途の全てに対して、レーザの発振振
動数を迅速に同調できることは非常に重要である。

レーザを同調させるＫはレーザの共振空胴の光学的な長
さを変える必要がある。非モノリシックレーザの場合ぺ
は、共通技術はレーザの共振空胴を構成する反射鏡の１
枚を動かすために圧電素子を用いることである。この技
術はモノリシックレーザでは可能でない。モノリシック
レーザというのは、能動的なレーザ物質で製作される単
一の素子で構成される共振空胴を有するものとして定義
される。共振器の反射鏡は単一素子の表面上に形成され
る。したがって、別々の素子ではない反射鏡は通常のや
シ方では動かすことはできない。共振空胴の光学的な長
さを変えるためには他の何らかの技術を必要とする。

従来は、振動数同調のために熱同調が用いられた。素子
の熱膨張が熱によシひき起される屈折率の変化に組合わ
されて、振動数同調のために必要とされる共振器の光学
的な長さが変化されることになる。非常に小さい物体で
も熱時定数は１秒程度あるから熱同調は必然的に非常に
遅い。応答時間が１ミリ秒よシ短いはるかに速い同調が
望まれている。

物質の屈折率は応力が加えられた時に変化することが知
られている。また、最も硬い物質でも応力が加えられる
と膨張または収縮することも知られている。応力は固体
素子に非常に迅速に加えることができ、それの唯一の基
本的な物理的限界は物質中の音速である。したがって、
モノリシックレーザへ応力を加えることは屈折率および
寸法したがって光学的な長さを迅速に変化して、共振振
動数を同調させるための方法である。

従来は、モノリシック棒状レーザの応力同調が行われて
いた。この従来の応力同調レーザにおいては、十分なパ
イアスカを加えてレーザ棒に応力を加えるためにレーザ
物置のモノリシック棒が固定構造中に保持される。固定
構造の一部は圧電素子のスタックを含む。モノリシック
棒レーザに加えられているパイアスカを変調して、９０
ＧＨｚというような十分な同調範囲にわたってレーザを
同調させるために電圧が圧電素子へ印加される。そのよ
うな応力同調ダイオードレーザが雑誌「オプティックス
・レタース（Ｏｐｔｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）Ｊ　１２
巻１２号、１９８７年１２月号の９９９〜１ｏｏ１ペー
ジ所載の論文に記載されている。

〔発明が解決しようとする課題〕 従来の応力同調レーザに関連する諸問題には固定構造が
比較的大きいととが含まれる。同調構造が大きいことに
は２つの欠点がある。第１の欠点は系の応答時間が長い
ことである。第２の欠点は形状が大きいためにレーザ全
体が音響ノイズに一層敏感になってレーザの振動数安定
度が低くなることである。

同調範囲が狭くはなっても、応答時間が短く、振動数安
定度が高い圧電的に同調されるモノリシックレーザを得
ることが望まれている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の原理は圧電的に同調される改良した光共振器と
、そのような光共振器を用いるレーザを得ることである
。

本発明の１つの特徴においては、光共振器の振動数を同
調させるために１同詞小面の表面に全体として平行に向
けられたベクトル力を同調小面を通じ光学的に透明な部
材へ伝えるために、光共振器の光学的に透明な部材が同
調小面と、この同調小面に力を交換する関係で接合され
る薄い圧電部材とを含み、それによシ、得られた光共振
器の音響ノイズに対する感度を低くし、同調される共振
器の製作を容易にするために、圧電同調構造の寸法と質
量が大幅に小さくされる。

本発明の別の特徴においては、光共振器の圧電的に同調
させられる部材には、光波エネルギーを小面の間で、お
よび囲まれた光路内で反射させてモノリシック光リング
共振器を形成するために配置および構成された前記小面
が設けられる。

本発明の別の特徴では、圧電的に同調させられる光学的
に透明な小面付き部材がよシ高い利得の部材で製作され
、かつ光学的にポンピングされて圧電的に同調させられ
るモノリシックレーザを構成する。

本発明の更に別の特徴においては、光共振器の圧電的に
同調させられる光学的に透明な部材は磁気光学的な物質
で構成され、圧電的に同調させられる部材に磁界を加え
てその部材中にファラーデー回転効果を生じさせて、前
記光共振器内の出力光エネルギーとは逆の向きに進む共
振させられたレーザ光放射を選択的に減衰させるために
磁石が設けられる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

まず、本発明の諸特徴を含むリングレーザ発振器１１が
示されている第１図と第２図を参照する。

リングレーザ発振器１１はＮａ　：　ＹＡＧのようなレ
ーザ磁気光学物質の結晶１２を含む。閉じた光路１３に
沿ってレーザ光ビームを内部反射させて環状の光共振器
を構成するために、その結晶１２に小面が形成される。

その結晶については後で第３図乃至第５図を参照して詳
しく説明する。

東芝から市販されているＦ４０４８型レーザダイオード
のようなレーザダイオード１５によシ発生された光ボン
ピング放射のビーム１４を受けるために結晶１２が配置
される。レーザダイオード１５の出力ビーム１４は５Ｅ
ＬＦＯＣ屈折率分布型レンズ１６によシ結晶１２０人カ
ー出力面１７の上に収束される。その屈折率分布型レン
ズ１６は光学的接着剤によシレーザダイオード１５の窓
に取付けられ、かつその窓から支持される。

結晶１２の上側に一対の永久磁石１８．１９が位置させ
られる。結晶１２の内部にファラデー回転効果を発生さ
せるために光ビーム１４の向きに平行な、５ＫＧのよう
な一方向磁界Ｈの強い成分を結晶１２の内部に発生させ
るために、それらの永久磁石１８．１９は分極される。

適当な永久磁石１８．１９は、アメリカ合衆国インデイ
アナ用ポルパライソ（Ｖｏｌｐａｒａｉｔｏ）所在のア
イ・ジー・コーポレーション（１，Ｇ、　Ｃｏｒｐｏｒ
ａｔｉｏｎ）からＮ＊１ｇｂｔ型崩２８として市販され
ているＮｄ：鉄：はう素型磁石である。

レーザダイオード１５はＬ型の熱伝導性物質たとえば銅
製のブラケット２１に取付けられる。このブラケットは
熱電冷却器２３を介して銅製の基板２２の上に支持され
る。レーザ結晶１２は銅のような熱伝導性物質製のブロ
ック２５の主面へ紫外線で硬化する光学的接着剤によル
取付けられる。

そのプロンぐ２５は、融点が比較的低いはんだの比較的
厚い層２７を介して加熱器２６の主面へ取付けられる。

適当なはんだは、アメリカ合衆国ニューヨーク州二一チ
カ（Ｕｔｉｃｍ）所在のインジウム・コーポレーション
・オプ・アメリカ（Ｉｎｄｌｕｍ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉ
ｏｎ　ｏｆ　Ａｍ＠ｒ１ｃａ）からＬｎｄａｌｌｏｙＮ
ｈｌＥとして市販されている、インジウムとｔ−ｆそれ
ぞれ重量比で５２％、４８ｑｂ含み、融点がセ氏１３０
度である熱可融合金である。典型的な例では、はんだ層
２Ｔの厚さは０．５ｆｌである。

加熱器２６は溶融シリカのような熱絶縁物質製のブロッ
ク２８の主面上に支持される。そのブロック２８は紫外
線で硬化する光学的接着剤によシ基板２２へ接合される
。そのような光学的接着剤は加熱器２６をブロック２８
へも接合する。

銅のような熱伝導性物質製のコツプ形キャップ２９が基
板２２の上で密閉される。そのキャップ２９は複数のね
じ３１によシ基板２１へ固定され、密閉はたとえばゴム
製の圧縮可能なＯＩＪングをキャップ２９と基板２２の
間に圧縮することによシ行われる。

基板２２とキャップ２９はリングレーザ１１を納める排
気可能な外囲器を構成する。導電リード３３が基板２２
を貫通して外囲器の内部に導入されて、その内部の各種
の電気的素子へ電気的接続を行う。

光を通す窓３４がキャップ２９の側壁に設けられる。そ
の窓をレーザの出力光ビーム３５が過つて外部へ出る。

外囲器３０の内部を一旦排気した後で乾燥した窒素を入
れ、あるいはたとえば１×１０−３　）ルのような真空
状態では対流による望ましくない熱交換が無いから、外
囲器の内部は真空状態にすることが好ましい。いずれの
場合にも、外囲器３０の内部の清浄な環境によシ光学的
な表面に汚れがないきれいな状態に＃持される。

次に、圧電的に同調させられる光リング共振器１２が詳
しく示されている第３〜５図を参照する。

圧電同調素子４１がたとえばエポキシ接着剤によシリン
グ共振器結晶１２の上側の自由な小面へ接合される。こ
こで説明している実施例においては、圧電同調素子４１
は、アメリカ合衆国オハイオ州ベツドフォード（Ｂｅｄ
ｆｏｒｄ）　所在Ｏハーニトロン・ピエゾエレクトリッ
ク・デイビョン（Ｖｅｒｎｉｔｒｏｎ＠Ｐｉｅｚｏｅｌ
ｅｅｔｒｌｃ　Ｄｌｖｉｓｉｏｎ）から市販されている
ＰＺＴ−５Ｈのような圧電物質の正方形の板で構成され
る。典型的な例においては、圧電同調素子４１の一辺の
長さが約５．０８ｉｍ（０，２インチ）で、厚さが約０
．２５４ｍ　（０，０１インチ）である。圧電同調素子
４１は小さい寸法の向きに分極される。圧電同調素子板
の２つの主面が銀めっきされて、圧電同調素子板４１の
小さい寸法の間に同調電圧を印加するための電極を構成
する。

共振器結晶１２に１互いに平行な上手面４２および底小
面４３と、前方入力小面４４と、２つの細小面４５．４
６と、端部小面４７とが設けられる。典型的な例におい
ては、レーザ利得物質の厚板すなわち、リング共振器１
２高さが２罰、長さが４．９８８顛、幅が約４．３４畦
である。細小面４５゜４６と端部小面４７杖、上手面４
２または底小面４３からの反射なしに、閉じた光路１３
に沿って光ビーム１４を全内部反射させるために配置お
よび構成される。閉じた光路１３の一部４８（第５図）
が閉じた光路１３の残シの部分が含まれている平面から
外れて、米国特許筒４　、５７８　、７９３号明細書お
よび雑誌「オプチツクス・レタース（ＯｐｔｉｃｓＬｅ
ｔｔ＠ｒｓ）Ｊ　１９８７年３月、１２巻、３号、１７
５〜１７７ページ所載の論文に記載されているような種
類の非平面リング共振器を構成する。永久磁石１８　、
１９によシ加えられた磁界によシフアラデー回転効果が
発生され、固有の分極によシ共振器内部を互向きに進む
光波の損失を大幅に異ならせて、光路１３に沿う低損失
の向きだけの発振を支持する。端部でボンピングされる
と、リング発振器は空間的な穴あき効果を無くす。その
ためにリング発振器１３は光学的な帰還を感ぜず、単一
軸線方向モードで動作する。

細いリード線４９．５１が圧電同調素子４１の銀めっき
された２つの表面へはんだづけされて、圧電同調素子４
１の小さい寸法の間に電圧を印加して、分極方向に電界
を加えることができるようＫする。その加えられた電界
によシ圧電同調素子４１はそれの面積を増減させられる
。圧電同調素子４１の面積は、加えられた電界が分極の
方向に平行である場合は増大し、加えられた電界が分極
の方向に平行でない場合は減少する。圧電同調素子４１
は硬いＮｄ：　ＹＡＧ共振器１２へ接合されているから
、圧電同調素子４１が自由になっている時に収縮するよ
うには収縮できない。その代シに、その圧電同調素子４
１はせん断力の場をＮｄ：ＹＡＧ結晶へ加える。そのせ
ん断力の場は、圧電同調素子４１が接合されている小面
４２の平面内に全体として含まれる。加えられた力の場
Ｆは結晶１２の屈折率と、形と、寸法とを変化させる。

結晶の屈折率、形および寸法が変化した結果として共振
器の光路の長さが変化させられ、その結果としてレーザ
の出力光ビーム３５の振動数が変化させられる。

典型的な例忙おいては、振動数の変化は圧電同調素子４
１に印加された電圧当シ１．５ＭＨｚであった。応答時
間は１３ミリ秒よシ短かかった。したがってこの発振器
は電圧によシ制御される光発振器である。

第１図に示されている別の実施例では、第２の圧電素子
５２が結晶１２の底小面４３へ接合される。また、同調
電圧が第２の同調素子５２へ印加されてその同調素子５
２０面積を変化させる。その面積変化は底小面４３によ
シ同調力として結晶中へ伝えられて光共振器すなわち結
晶１２を圧電的に同調させる。

更に別の実施例において杜、圧電同調素子４１と５２は
、光弁振器結晶１２の同調について先に述べたように、
結晶１２の上小面４２と底小面４３へ接合される。圧電
同調素子が上小面４２と底小面４３へ接合される場合に
は、印加電圧によシ圧電同調素子４１と５２の一方の面
積が増大させられ、他方の面積が減少させられるように
、それらの圧電同調素子へ電圧が印加される。

次に１本発明の別の実施例が示されている第６図を参照
する。この実施例では、光共振器は、Ｎｄ：　ＹＡＧの
ようなレーザ利得物質で構成され、両端に反射鏡５５．
５６が付着されて、それらの反射鏡の間にモノリシック
光共振器を構成するモノリシック棒５４で構成される。

ポンピングビーム１４が棒５４の軸線方向に導入されて
その棒を共直線的にボンピングする。棒５４の一方の側
に治って同調小面５５が形成され、圧電同調素子４１が
同調小面５５へ接合されて、同調力Ｆを同調小面を通じ
て棒５４へ伝え、光共振器の共振振動数したかってレー
ザの出力振動数を同調させる。第１図に示されている実
施例と同様に１圧電同調素子４１と５２を棒５４の両面
に接合できる。

本発明の圧電的に同調させられる光共振器が従来の圧電
同調クランプ構造よシ優れている点は、本発明の光共振
器が従来の光共振器よりはるかく小型であるために応答
速度が非常に高いことが含まれる。応答速度は音の速さ
と光共振器の寸法によシ決定される。応答時間は、機械
的な系の一端から他端へ音が進むのに要する時間よシ短
くすることはできない。本発明においては、Ｎｄ：ＹＡ
Ｇ結晶１２で主として構成されている同調系は従来の同
調系よりはるかく小型で、クランプ形共振器のような大
型の共振器よシ応答時間が非常に短い。

レーザの音響ノイズに対する感度はレーザの寸法にも依
存する。内部の音速が非常に高い小型の物体は音響ノイ
ズにより大きな影響を受けるヒとはない。大きくて複雑
な形は音響ノイズで駆動されると共振しやすい。共振に
よる大きな青畳応答は従来のレーザの振動数が不安定な
原因の多くを占める。本発Ｆ！Ａにおいては、構造が比
較的小型であるために音響ノイズに対する系の応答を小
さくできる。

本発明の圧電的に同調させられる共振器の別の利点は容
易に製作できることである。圧電物質片がモノリシック
共振器の同調小面へ単純に接合される。このことは、レ
ーザ全体を比較的大形のクランプ構造を用いて構成しな
ければならないクランプ型構造と極めて対照的である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のレーザ発振器の縦断面図、第２図は第
１図の矢印線２−２に沿う断面図、第３図は第２図の矢
印円３−３で囲まれた部分の光弁振器部分の拡大平面図
、第４図は第３図の矢印線４−４に沿う端面図、第５図
は第３図の矢印線５−５に溢う側面図、第６図は本発明
の諸特徴を含む別の圧電的に同調させられる棒状レーザ
の斜視図である。 １１・・・・リングレーザ共振器、１２・・・・レーザ
磁気光学物質の結晶（光共振器）、１３・・の・閉じた
光路、１５・・・・レーザダイオード、１６・・・・分
布屈折率型レンズ、１７．・・・・結晶１２の入力−出
力面、１８．１９−・・・永久磁石、２１・・・・熱伝
導性物質製のブラケット、２３・・・・熱電冷却器、２
４・・・・サーミスタ、２５・・・・熱伝導性物質製の
ブロック、２６・・・−加熱器、２８・・−・熱絶縁物
質製ブ四ツク、４１．５２・・・・圧電同調素子、４２
．４３，４４，４５，４６．４７　　・・・・結晶１２
の小面。 ２面の浄書（内容に変更なし） 特許出願人　　　ライトウエーフ・エレクトロニクス・
コーポレーション

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）光共振器の固体部材の少くとも一部へ接合されて
   、その少くとも一部の上に置かれる境界面を有する圧電
   素子に電圧を印加し、印加された電圧が接合されている
   境界面の面積を変化させて、その結果として発生された
   力の場を、接合されている境界面を介して光共振器の固
   体部材の上に置かれている部分へ伝え、光共振器の少く
   とも一部の屈折率と寸法に応力に関連する変化を生じさ
   せて前記光共振器の光共振モードに対して振動数を同調
   させるようにする過程を備えることを特徴とする光共振
   器を圧電的に同調する方法。
2. （２）共振させられた光波エネルギーの共振振動数を同
   調させるために同調力を貫通させるための同調小面を有
   し、共振させられた光波エネルギーを透過させる光学的
   に透明な固体部材を含み、光波エネルギーを共振器させ
   る光共振器手段と、前記光共振器手段の前記光学的に透
   明な部材の前記同調小面へ力交換関係で接合された圧電
   部材を含み、その圧電部材へ印加された電圧に応答して
   、前記同調小面の表面に主として平行に向けられる結果
   として生じた力のベクトルを前記同調小面を介して前記
   光学的に透明な部材へ伝え、前記光学的に透明な部材の
   屈折率と寸法に応力に関連する変化を生じさせて、前記
   光共振器手段の光共振モードの振動数を同調させる圧電
   手段と、を備えることを特徴とする圧電的に同調させら
   れる光共振器。
3. （３）光学的に透明なレーザ物質の小面を有する部材と
   、 リング共振器と、 小面を有する前記部材へ磁界を加えてその部材内部にフ
   ァラデー回転効果を生じさせ、出力光エネルギーの向き
   とは逆の向きに前記リング共振器内部を進む光波エネル
   ギーを選択的に減衰させる磁石と、 光ポンピングエネルギー源と、 小面を有する前記部材の前記小面の同調する１つの小面
   に接合され、印加電圧に応答して、前記同調小面の表面
   の平面内で主として向けられている同調力ベクトルを前
   記同調小面を通じて伝えて、出力光エネルギーの振動数
   を同調させる圧電物質のシートと、 を備え、レーザ物質の前記部材の複数の前記小面は、前
   記部材内の非平面状の閉じた光路内の周囲を前記部材内
   部で光エネルギーを反射させるために配置および向けら
   れ、 前記内部で反射する小面の１つが入力光エネルギーを迂
   回する入力光路に沿つて前記リング共振器内に結合し、
   かつ出力光エネルギーを迂回する出力光路に沿つて前記
   リング共振器から結合することを特徴とするリングレー
   ザ。