JPH04158331A - 光シャッター及びこの光シャッターを用いたレーザ装置 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、電離用気体のプラズマを利用して高強度の光
信号を遮断するのに好適な光シャッター及びこの光シャ
ッターを用いたレーザ装置に関する。

（従来の技術） 従来、炭酸ガスレーザ装置にあっては、インジェクショ
ンロック法を用いてパルスレーザにシングル縦モードの
発振を行わせる構成のものが知られている。従来の炭酸
ガスレーザ装置の一例は、−第５図に示す如く、ＣＷ（
連続発振）のシングル縦モードのマスター光を出力する
マスターレーザ１と、このマスターレーザ１からのマス
ター光を適正なインジェクションＬ／ベルまで減衰させ
るアッテネータ２とを有し、この減衰させたマスター光
を折り返しミラー３を介してスレーブレーザとしてのパ
ルスレーザ４に入射するようになっている。パルスレー
ザ４は、インジエクションミラー５、ＣＯ７等のレーザ
媒質が封入された放電部６と、この放電部６の両側に配
置される共振器としてのリヤ（反射）ミラーｔおよび出
力ミラー８を備え、到来したマスター光はインジェクシ
ョンミラー５を介して放電部６に注入される。

この結果、放電部６ては注入されたマスター光を種とし
て、このマスター光と同一周波数、同一モードの発振が
行われ、発振されたレーザ光は共振器７，８間で増幅さ
れ、シングル縦モードのスレープレーサ光として出力さ
れる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上述したインジェクションロック法に係
る炭酸ガスレーザ装置においては、マスター光を種とし
て成長し出力されたスレーブレーザ光の一部かインジェ
クションミラー５で反射し、マスターレーザ１に戻って
しまう、いわゆる戻り光か生しる。この戻り光はマスタ
ー光に比べて光強度が著しく高いことから、マスターレ
ーザ１の制御動作を乱したり、光学系を損傷させる等の
悪影響を及ぼす恐れがあった。

一方、上述した戻り光を除去するには、従来周知のファ
ラデーローテータと称される光アイソレータをマスター
レーザ１とバルスレーサ４の間に介挿する方法かある。

このファラデーローテータによりマスター光を通過させ
、戻り光を遮断させることは可能となるか、ファラデー
ローテータはファラデー効果を利用するものであるため
、励磁機構が必要である等、装置全体の複雑化及び大形
化を招くという別の問題があった。

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、マス
ター光のような低強度の光は双方向とも通過させるが、
戻り光のような高強度の光は遮断させ、且つ、簡単な構
成で小形化を図ることのできる光シャッターおよびこの
光シャッターを用いたレーザ装置を提供す名ことを目的
とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は上述した課題を解決するために、請求項１記載
の光シャッターでは、光路内に２個の結像素子を焦点が
一致するように対向配設し、上記両結像素子の少なくと
も共焦点およびその近傍領域に電離用気体を滞留させた
ものである。

また、本発明は、請求項２に記載したようにマスターレ
ーザから出射されたマスター光をスレープレーサに注入
してこのスレーブレーザを励起させるレーザ装置におい
て、前記マスターレーザとスレーブレーザとの間に光シ
ャ・ンターを介挿し、この光シャッターは、光路内に焦
点を一致させて対向配設した２個の結像素子を有し、両
結像素子の少なくとも共焦点及びその近傍領域に電離用
気体を滞留させたものである。

（作用） 請求項１記載の光シャッターでは、焦点距離や電離用気
体の種類、圧力等を適宜に設定しておけば、低強度の入
射光に対して電離用気体はプラズマ化しないが、高強度
の入射光があった場合、焦点付近の気体が電離してプラ
ズマが発生する。

そこで、例えば低強度で入射する平行光は出力も平行光
となって通過するが、高強度の入射光はプラズマにより
散乱して遮断される。このように、簡単な構造ながら、
高強度の光を遮断させることができる。

また請求項２記載のレーザ装置では、上述と同様に光強
度の差か利用され、マスター光は低強度であるから光シ
ャッターを通過し、戻り光は高強度であるから光シャッ
ターにより遮断される。これにより、戻り光かマスター
レーザに与えていた弊害を除去できる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。

請求項１記載の発明に係る光シャッタとしてのプラズマ
シャッタの例を第１図を参照して説明する。

第１図は、レンズを用いた光シャッター１０の構成を示
す。この光シャッター１０は、光路１１内で相互に対向
し且つ焦点Ｆを共有して配設された結像素子としての第
１のレンズ１２および第２のレンズ１４（いずれも凸レ
ンズ）と、この両レンズ１２．１４を囲み且つ共焦点Ｆ
およびその近傍に電離用気体としてのガスを充填させる
ガスセル１６とから成る。ここで、第１、第２のレンズ
１２．１４は焦点Ｆを共有していれば、焦点距離は異な
っていてもよい。また、充填するガスとしては例えば空
気等の普通の気体か使用される。

このような構成の光シャッター１０において、内部に充
填したガスが入射レーザ光によって電離し、プラズマ化
する条件を考えてみる。いま、第１のレンズ１２の焦点
距離をｆｌ、入射ビーム光の発散角をΔθとすると、焦
点Ｆにおけるビーム光のスポットサイズｄは、 ｄ＝１．４４×ｆ１×Δθ　　・・・・・・・・・（１
）となる。焦点Ｆにおけるビーム光の強度密度Ｉは、入
射ビームの光強度をＰＬとして、 Ｉ＝ＰＬ／ｄ　　　　　　　　　・・・・・・・・・（
２）で表される。また、ガスがプラズマ化する強度密度
をＩｔｈとすると、入射ビームが散乱する強度Ｐｌｈは
、 Ｐ　＝ｄ−Ｉ　＝１．４４−ｆ、　−Δθ弓ｔｈｔｈ　
　　　　　　ｌｈ ・・・・・・・・・（３） となる。つまり、焦点距離ｆ、を変えるとビーム■ 強度ＰＩｈも変り、また、ガスの種類、圧力か相違する
とプラズマ化の強度密度■ｌｈか変って、ビーム強度Ｐ
　も変る。このため、焦点距離ｆ１並び【ｈ に充填ガスの種類及び圧力をパラメータとして、任意の
ビーム強度を焦点Ｆ及びその近傍領域に設定でき、かか
る領域にプラズマを発生させることかできる。

第１図に示す実施例では、第１、第２のレンズ１２．１
４の双方向からレーザ光を入射てき、このレーザ光が所
定強度のときに、充填カスか焦点付近でプラズマ化する
ように設定しである。

次に、この実施例の動作を説明する。

第１のレンズ１２に所定強度以下の例えば平行なレーザ
光が入射した場合、この入射光は焦点Ｆ付近で所定スポ
ットサイズに絞られるが、充填ガスがプラズマ化しない
ので、そのまま第２のレンズ１４に到達し、この第２レ
ンズ１４から平行光となって８射される。また、第２の
レンズ１４側から所定強度以下の例えば平行なレーザ光
が入射した場合も、そのレーザ光は同様に光シャッター
１０を通過できる。

これに対して、第１、第２のレンズ１２．１４の一方の
側から所定強度を越える例えば平行なレーザ光が入射し
たとする。この入射光は焦点Ｆ及びその近傍で絞られて
エネルギ密度が大きくなり、充填ガスを電離させ、プラ
ズマ化するので、入射レーザ光はプラズマによって散乱
され、反対側のレンズ１４又は１２には到達できず、ま
た光路を外れるので、その殆どか遮断されることになる
。

さらに、今度は、第１のレンズ１２に所定強度以下の平
行レーザ光が入射し、同時に、第２のレンズ１４に所定
強度を越える平行レーザ光が入射したとする。この場合
、第２のレンズ１４への入射光は前述したプラズマに因
ってその殆どが通過できず、また第１のレンズ１２への
入射光は低強度であるが第２のレンズ１４へ入射した光
によって既に充填ガスがプラズマ化されているので遮断
される。なお、両レンズ１２．１４から同時に所定強度
以上のレーザ光が入射した場合け、勿論双方とも遮断さ
れる。

このように、ファラデーローテータのような励磁機構を
必要とせず、レンズ１２．１４と充填ガスとを組み合わ
せた簡素な構成ながら、低強度の光に対して双方向の通
過を許容し、且つ、高強度の光はプラズマとの散乱によ
って遮断するというスイッチ作用が得られる。これによ
り、レンズに入射した低強度の光はそのまま通過させ、
レンズに入射した高強度の光は遮断させるという使用か
できる。

続いて、上述した第１実施例の応用例を第２図及び第３
図に基づき説明する。

第２図はインジェクションロック法を用いたシングル縦
モードの炭酸ガスレーザ装置１７における戻り光除去に
光シャッターを応用した例（請求項２記載の発明に対応
）を示す。

第２図において、１８はパルスレーザであって、前述し
た従来装置と同様に、インジェクションミラー２０、レ
ーザ媒質がＣＯ２の放電部２２、ならびにこの放電部２
２の両側に配置された共振器としてのリヤ（反射）ミラ
ー２４および出力ミラー２６を備えている。このパルス
レーザ１８のマスター光注入側には、ＣＷ（連続発振）
のシングル縦モードのレーザ光をマスター光として出力
するマスターレーザ２８と、このマスターレーザ２８か
ら放射されたマスター光を適正なインジェクション強度
まで減衰させるアッテネータ３０と、このアッテネータ
３０から出たマスター光の光路を変える折り返しミラー
３２と、この折り返しミラー３２とインジェクションミ
ラー２０との間に介挿された前述の光シャッター１０と
を備えている。

このため、マスターレーザ２８から出射されたマスター
光は、アッテネータ３０及び折り返しミラー３２を介し
て光シャッター１０に入射する。

この入射したマスター光は低強度であるため光シャッタ
ー１０を通過でき、平行光となってインジェクションミ
ラー２０からパルスレーザ１８内に注入される。この注
入マスター光を種として成長したスレーブレーザ光は、
出力ミラー２６から外部に出力される一方、そのレーザ
光の一部はインジェクションミラー２０で反射し、戻り
光となって光シャッター１０へ逆進する。しかし、戻り
光は高強度であるため、前述したようにガスのプラズマ
により遮断される。従って、戻り光がマスターレーザ光
の制御系の動作を乱したり、光学系を損傷させるという
状態を確実に排除できる。この時点においては既にスレ
ーブレーザ光は充分に成長しているのでマスター光の入
射は終了しており、低強度のマスター光に対する光シャ
ッター１０の影響は、レーザ装置（スレーブレーザ）の
出力に問題を及ぼさない。また、光シャッター１０は小
形で簡素な構造を有しているから、既存のレーザ装置に
も容易に装備可能となる。

第３図の応用例は、光学部品の損傷を防止するためのヒ
ユーズとして光シャッターを用いたものである。同図の
構成は、ライン（発振線）選択可能なＣ０２レーザ装置
の要部を示し、放電部（レーザ媒質はＣｏ、、）３４、
グレーティング３６及び出力ミラー３８を備えるととも
に、放電部３４とグレーディング３６との間に前述した
光シャッター１０を介挿させている。

このＣＯ２レーザ装置の通常発振時にあっては、光シャ
ッター１０はレーザ光の双方向の通過を許容する一方で
、グレーティング３６に入射するビーム径を拡大し、ビ
ームの発散角を抑制する空間フィルタとして機能する。

しかし、ラインによってゲインが大きく異なるため、不
意にゲインの大きなラインに入ると、高強度のビーム光
か光シャッター１０を通過しようとするが、このビーム
光はプラズマとの散乱によって遮断される。つまり、大
電流に因って電気回路のヒユーズが切断されるのと同等
であり、かかるレーザビームのカットにより発振が停止
するから、光学部品の損傷を防止できる。

次に、請求項１記載の発明に係る第２実施例を第４図を
参照して説明する。

第４図は凹面鏡を用いた光シャッター４０の構成を示す
。この光シャッター４０は、空気中の光路内に相互に対
向し且つ焦点Ｆを共有させて配設した、結像素子として
の第１の凹面鏡４２及び第２の凹面鏡４４を有している
。つまり、両凹面鏡４２．４４は共焦点Ｆを有し、この
共焦点Ｆおよびその近傍領域の空間には電離用気体とし
ての空気が滞留する構造になっている。空気もレーザ光
の強度を上げると容易にプラズマ化することが知られて
おり、そのプラズマ化を起こす強度は焦点位置で１０９
（ｗ／ｃ＆）以上である。

したがって、このプラズマ化を生じる光は前述したと同
様に遮断されるため、第４図の示す実施例によっても第
１実施例と同等の作用効果が得られるとともに、第２図
及び第３図と同様の応用も可能となる。なお、第１、第
２の凹面鏡４２．４４の各焦点距離は異なっていてもよ
い。

Ｃ発明の効果〕 以上説明したように請求項１記載の光シャッターでは、
２個の結像素子の焦点を電離用気体中で共有させた構造
としているため、構造が簡単で大形化しないばかりか、
少なくとも一方の結像素子から低強度の光が入射した場
合にはそのまま反対の結像素子側へ通過させ、また、少
なくとも一方の結像素子から高強度の光か入射した場合
には焦点近傍でプラズマを発生させ、このプラズマが入
射光を散乱させることから、高強度の光を遮断できる。

また、請求項２記載のレーザ装置では、上述した光シャ
ッターを例えばインジェクションロック法を用いた炭酸
ガスレーザ装置における、マスターレーザおよびパルス
レーザ間に介挿しているので、低強度のマスター光はそ
のままパルスレーザに注入でき、且つ、パルスレーザか
らの高強度の戻り光を遮断でき、戻り光に因るマスター
レーザへの悪影響が確実に排除される。また、係る光シ
ャッターはファラデーローテータに比べて簡素な構造で
あるため、レーザ装置全体も小形化されるという利点が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は請求項１記載の本発明の第一実施例を示す概略
構成図、第２図は第１実施例の応用例（請求項２記載発
明に対応）を示す概略構成図、第３図は第１実施例の応
用例を示す要部構成図、第４図は請求項１記載発明の第
２実施例を示す概略構成図、第５図は従来技術に係るレ
ーザ装置を示す概略構成図である。 １０．４０・・・光シャッター、１１・・・光路、１２
．１４・・・第１、第２のレンズ（結像素子）、１６・
・・ガスセル、１７・・・炭酸ガスレーザ装置（レーザ
装置）、４２．４４・・・第１、第２の凹面鏡（結像素
子）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光路内に２個の結像素子を焦点が一致するように対
   向配設し、上記両結像素子の少なくとも共焦点およびそ
   の近傍領域に電離用気体を滞留させたことを特徴とする
   光シャッター。 ２、マスターレーザから出射されたマスター光をスレー
   ブレーザに注入してこのスレーブレーザを励起させるレ
   ーザ装置において、前記マスターレーザとスレーブレー
   ザとの間に光シャッターを介挿し、この光シャッターは
   、光路内に焦点を一致させて対向配設した２個の結像素
   子を有し、両結像素子の少なくとも共焦点及びその近傍
   領域に電離用気体を滞留させたことを特徴とするレーザ
   装置。