JPH05175588A - Ｑスイッチ及びレーザ共振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低電圧で駆動できる、耐パワ−密度の高いＱ
スイッチを得ることを目的とする。 【構成】 レ−ザ共振器の光軸上に、偏光子と石英硝子
のような透明な等方性媒質をおき光学系を構成し、剛性
の高いフレ−ムでその等方性媒質と圧電素子のような圧
力発生素子を互いに隣接するように保持し、圧力発生素
子により等方性媒質に対し圧力を加え、それにより生じ
る光弾性効果により等方性媒質の偏光状態を変え、偏光
子における透過損失を制御し、共振器のＱを制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、レーザ発振器におい
て出力ピークの非常に大きな光パルスを得るために、励
起時には共振器のＱを低くしておき、その後、急激に発
振が行われるようにＱを高くするスイッチング動作を行
うＱスイッチに関するものである。

【０００２】また、この発明はレーザ共振装置に関する
もので、特にレーザ共振器内で共振する光の偏光状態を
変化させることにより、上記レーザ共振器の出力結合量
またはＱ値を制御するレーザ共振装置に関するものであ
る。

【０００３】

【従来の技術】固体レーザは励起された物質から放出さ
れる光を共振器で共振させて、位相の揃った単色光を得
るものである。Ｑスイッチは固体レーザの共振器の共振
の程度を表わすＱを変化させることにより、急激な発振
をおこなわせ光パルスを得るものである。

【０００４】従来のＱスイッチの例には図９に示すもの
がある。図９はＳｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｌａｓｅｒ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（Ｗ．Ｋｏｅｃｈｎｅｒ著、ｐ
４１５ Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ １９８８）
に記載されているポッケルスセル（ある種の物質に電圧
を加えると屈折率が変化するというポッケルス効果を利
用して偏光状態を変えるもの）と偏光子（単一の直線偏
光を通過させるもの）により構成されるＥ／ＯＱスイッ
チ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃ：電気光Ｑスイッチ）
を用いたＱスイッチ固体レーザ装置の断面を示す構成図
である。

【０００５】図において、１は高反射鏡、２は出力結合
鏡で、高反射鏡１と出力結合鏡２は同じ光軸上にあり、
共振器を構成している。３は外部から励起されることに
よって光を発生するレーザロッド、４はレーザロッドで
発生した光が入射する偏光子、５はポッケルスセルであ
る。偏光子４とポッケルスセル５がＥ／ＯＱスイッチを
構成している。６は上記発振器の光軸である。高反射鏡
１、出力結合鏡２、レーザロッド３、偏光子４およびポ
ッケルスセル５は光軸６上にある。７は出力結合鏡２か
ら出力されるレーザ出力光、８はレーザロッド９を励起
するための励起光源、９は励起光源８で発生した励起
光、１０はポッケルスセル５に電圧を印加するための電
源、１１は電源１０を制御するＱスイッチ制御回路であ
る。

【０００６】次に動作について図９に基づき説明する。
励起光源８は励起光９を発生し、レーザロッド３を励起
し、光を発生させる。この光が高反射鏡１と出力結合鏡
２により構成される共振器に入ると、Ｑスイッチを有し
ないレーザ発振器の場合であればＱが一定であるので励
起がしきい値を越えると、光が増幅されて共振器固有の
共振条件を満たす光だけが発振する。

【０００７】図９において、発生した光は偏光子４によ
り一定の直線偏光のみ取り出され、ポッケルスセル５に
入る。ポッケルスセル５はある種の物質に電圧を加える
と屈折率が変化するというポッケルス効果（Ｐｏｃｋｅ
ｌｓ ｅｆｆｅｃｔ）を利用して偏光状態を変えるもの
である。同様の効果としてポッケルス効果以外にカー効
果（Ｋｅｒｒ ｅｆｆｅｃｔ）があるが、ポッケルス効
果の方が低い印加電圧で偏光状態を制御できるため、も
っぱらポッケルスセルが用いられる。

【０００８】ポッケルスセル５に電圧が印加されていな
いとき、ポッケルスセル５の入口と出口とで偏光状態は
変わらない。しかしポッケルスセル５に電圧を印加する
と、ポッケルスセル５を透過する光の偏光状態が変化す
る。このことを詳しく説明すると次のようになる。

【０００９】光軸に平行にポッケルスセルに対し電圧を
加えれば、ポッケルスセル内部の屈折率は一様でなくな
る。すなわちポッケルスセルの結晶軸に対して＋４５
度、−４５度の角度をなす２つの軸の方向についての屈
折率は、１つは電界に比例して増加し、他方は減少す
る。その変化量の絶対値は等しい。そのとき結晶軸の方
向に直線偏光された光が入った場合、上記２つの軸それ
ぞれの光の偏光成分について考えると、光の速さは屈折
率に反比例するので、一方の光は早くなり、他方は遅く
なる。したがってポッケルスセルの出口において２つの
光の偏光成分に位相差が生じる。ポッケルスセルから出
てくる光はそれら２つの光を合成したものであるから、
位相差に応じて偏光状態が変化することになる。位相差
が９０度であれば円偏光に、１８０度であれば入射され
た光を９０度回転させた直線偏光となる。またそれら以
外の位相差であれば楕円偏光となる。位相差は印加電圧
に比例するので、印加電圧によって偏光状態を制御する
ことができる。

【００１０】偏光状態の変化した光は出力結合鏡２で反
射され、再びポッケルスセル５を透過し、その際さらに
偏光状態が変化する。次に偏光子４に入るが、そのとき
に偏光面が異なるため偏光状態に応じた損失を受ける。
一方、ポッケルスセル５に電圧が印加されていないとき
は、偏光面は同一であるから偏光子４における損失はな
い。

【００１１】ポッケルスセル５における偏光状態の変化
量はポッケルスセル５に印加する電圧に比例するから、
上記Ｅ／ＯＱスイッチにおける損失はポッケルスセル５
に印加する電圧により制御することができる。共振器の
Ｑは損失が小さいほど大きく、損失が大きいほど小さい
という関係があるので、結局、偏光状態を変化させるこ
とにより上記発振器のＱを制御することができる。図９
の構成におけるＥ／ＯＱスイッチの透過率Ｔr （損失は
（１−Ｔr ）で与えられる）と印加電圧Ｖの関係は次式
で表わされる。

【００１２】 Ｔ_r＝ｃｏｓ²｛（π／２）・（Ｖ／Ｖ_1/4 ）｝（１） Ｖ_1/4 ：１／４波長電圧

【００１３】印加電圧が０のときＥ／ＯＱスイッチの透
過率は１、したがって損失は０であり、印加電圧が１／
４波長電圧のときＥ／ＯＱスイッチの透過率は０、損失
は１で最大損失となる。

【００１４】Ｑスイッチをもちいて出力ピークの非常に
大きな光パルスを得るためは、まずポッケルスセル５に
電圧Ｖを印加し、上記発振器を低Ｑ状態にする。励起光
源８からの励起光９によりレーザロッド３を励起する。
このとき、上記印加電圧Ｖの値は誘導放出を抑制するの
に十分な損失を与える値とする。レーザロッド３が十分
励起された後、上記印加電圧Ｖを０とする。するとＱス
イッチの損失は０になり、上記発振器が急激に高Ｑ状態
となるので、急激に誘導放出が行われ、レーザ発振が起
こる。このとき、パルスレーザ光が出力結合鏡２よりレ
ーザ出力光７として出力される。

【００１５】誘導放出を抑制するためにポッケルスセル
に印加する電圧Ｖは一般に高電圧となる。ポッケルスセ
ルには通常ＫＤＰ（Ｐｏｔａｓｓｉｕｍ ｄｉｈｙｄｒ
ｏｇｅｎ ｐｈｏｓｐｈａｔｅ：燐酸二水素カリウム：
ＫＨ₂ ＰＯ₄ ），ニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ₃ 等の結
晶を用いるが、例えば、ポッケルスセルに５ｍｍ×５ｍ
ｍ×１５ｍｍのニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ3 結晶を用
いたとき、波長１．５４μｍの光に対するＥ／ＯＱスイ
ッチの損失が最大となる１／４波長電圧Ｖ_1/4は約２．
１ｋＶ、損失が１ｄＢとなる電圧は約６２０Ｖである。

【００１６】次に、図１０を用いて従来のレーザ装置に
ついて説明する。図１０は細川他により赤外線技術第１
０号（１９８５）に示されたレーザ装置の構成図であ
る。図１０において、１は第１のルーフプリズム、３は
レーザロッド、３０は台形プリズム、４は偏光子、５は
ポッケルスセル、２は出力鏡、６は共振器の光軸、７は
レーザ出力光、８は励起光源、９は励起光、１０はポッ
ケルスセル５に電圧を印加するための電源、１１はＱス
イッチ制御回路である。

【００１７】次に図１０に基づいて説明する。第１のル
ーフプリズム１と出力鏡２はレーザ発振器を構成してい
る。第１のルーフプリズム１および台形プリズム３０に
より上記レーザ共振器を自己補償型としている。上記発
振器内で共振する光は上記発振器内にある偏光子４によ
り定まる直線偏光となる。第１のルーフプリズム１の稜
線は上記発振器内で共振する光の偏光面に対し平行もし
くは垂直としている。偏光子４とポッケルスセル５はＥ
／ＯＱスイッチを構成している。

【００１８】まず、偏光子４とポッケルスセル５で構成
されるＥ／ＯＱスイッチについて説明する。ポッケルス
セル５に電圧を印加すると、電気光学効果により上記発
振器内で共振する光はポッケルスセル５を透過する際、
偏光状態が変化する。上記偏光状態の変化した光は偏光
子４を透過するときに損失を受ける。ポッケルスセル５
における偏光状態の変化はポッケルスセル５に印加する
電圧に依存する。したがって、上記Ｅ／ＯＱスイッチに
おける損失はポッケルスセル５に印加する電圧により制
御することができる。即ち、上記発振器のＱ値を制御す
ることができる。この構成におけるＥ／ＯＱスイッチの
損失Ｌと印加電圧Ｖの関係は次式で表される。

【００１９】 Ｌ＝ｃｏｓ² （δ） （２） δ＝（π／２）・（Ｖ／Ｖ_1/4 ） （３） Ｖ_1/4 ：１／４波長電圧

【００２０】印加電圧が０のときＥ／ＯＱスイッチの損
失は０であり、印加電圧が１／４波長電圧のときＥ／Ｏ
Ｑスイッチの損失は最大となる。

【００２１】レーザ発振動作について説明する。ポッケ
ルスセル５に電圧Ｖを印加し、上記発振器を低Ｑ状態に
する。励起光源８からの励起光９によりレーザロッド３
を励起する。このとき、上記印加電圧Ｖの値は誘導放出
を抑制するのに十分な損失を与えるものとする。レーザ
ロッド３が十分励起された後、上記印加電圧Ｖを０とす
る。上記発振器が高Ｑ状態となるので、急激に誘導放出
が行われ、レーザ発振が起こる。このとき、パルスレー
ザ光が出力鏡２よりレーザ出力光７として出力される。

【００２２】図１１はＭ．Ｋ．Ｃｈｕｎ，Ｅ．Ａ．Ｔｅ
ｐｐｏによりＡＰＰＬＩＥＤ ＯＰＴＩＣＳｖｏｌ．１
５，Ｎｏ．８（１９７６）に示されたレーザ装置の構成
図である。２５は第２のルーフプリズム、２６はカルサ
イトプリズム、２７は第１の高反射鏡、２８は共振器外
に出される光、２９は第２の高反射鏡である。

【００２３】次に図１１に基づいて説明する。第１の高
反射鏡２７を介して第１のルーフプリズム１、第２のル
ーフプリズム２５により折り返し型の共振器を構成して
いる。第１のルーフプリズム１と第２のルーフプリズム
２５の稜線を互いに垂直となるようにして上記共振器を
自己補償型としている。上記共振器内で共振する光は偏
光子として用いるカルサイトプリズムにより定まる直線
偏光即ち常光線（ｏ−ｒａｙ）のみとなる。レーザ出力
はカルサイトプリズム２６へ入射する第１のルーフプリ
ズム１の反射光の異常光線成分（ｅ−ｒａｙ）を第２の
高反射鏡２９より取り出すことにより行う。上記第１の
ルーフプリズム１の反射光の異常光線成分量は第１のル
ーフプリズム１の稜線と入射光の偏光面のなす角によ
る。したがって、このレーザ共振器の出力結合量は第１
のルーフプリズム１の稜線と入射光の偏光面のなす角に
より設定できる。仮想的に出力鏡を考えると実効出力鏡
反射率Ｒ_eff は次式で表される。

【００２４】 Ｒ_eff ＝ｃｏｓ²（Ｐ／２） ＋ｓｉｎ²（Ｐ／２）・ｃｏｓ²（２β）（４）

【００２５】ここで、Ｐは第１のルーフプリズム１にお
ける反射光の位相シフト量、βは第１のルーフプリズム
１の稜線と入射光の偏光面のなす角である。Ｐは次式で
表される。

【００２６】 Ｐ＝π＋４ｔａｎ^-1｛［ｃｏｓ（ｉ）・ （ｓｉｎ² （ｉ）−ｎ^-2）^1/2 ］ ／ｓｉｎ² （ｉ）｝ （５）

【００２７】ここで、ｉは第１のルーフプリズム１の斜
面に対する入射角、ｎは第１のルーフプリズム１の屈折
率である。図１２に第１のルーフプリズム１における
β、ｉの関係を示す。

【００２８】ルーフプリズムの斜面のなす角度はπ／２
であるので、ｉはπ／４近傍の値をとる。したがって、
上記位相シフト量Ｐは第１のルーフプリズム１の材質に
よりほぼ一定となる。

【００２９】Ｑスイッチ動作はポッケルスセル５に印加
する電圧を制御回路１１により制御することにより行
う。上記共振器内で共振する光はカルサイトプリズム２
６からポッケルスセル５を経て第２のルーフプリズム２
５で反射する。反射光は再びポッケルスセル５を経てカ
ルサイトプリズム２６に戻る。上記第２のルーフプリズ
ム２５からの反射光はポッケルスセル５と第２のルーフ
プリズム２５により偏光状態が変化し、一部異常光成分
を持つ。異常光成分はカルサイトプリズム２６より共振
器外に出される。ポッケルスセル５に印加する電圧によ
り異常光成分の量を制御することで、共振器のＱを制御
できる。Ｊｏｎｅｓ Ｍａｔｒｉｘ法によるカルサイト
プリズム２６−ポッケルスセル５−第２のルーフプリズ
ム２５−ポッケルスセル５−カルサイトプリズム２６の
経路における行列Ｍ_f は次式のようになる。

【００３０】

【数１】

【００３１】ここで、Ｍ_p 、Ｍ_c 、Ｍ_r はそれぞれ偏光
子であるカルサイトプリズム１４、ポッケルスセル５、
第２のルーフプリズム２５を表す行列である。式（６）
において＊は共役複素数を示す。各行列要素Ａ、Ｂ、
Ｃ、Ｄ、Ｆは次式で表される。

【００３２】 Ｆ＝ＡＣ² −２ＢＣＤ−Ａ^* Ｄ （７） Ａ＝ｃｏｓ（Ｐ／２） ＋ｊ・ｓｉｎ（Ｐ／２）・ｃｏｓ（２β） （８） Ｂ＝ｓｉｎ（Ｐ／２）・ｓｉｎ（２β） （９） Ｃ＝ｃｏｓ（δ／２） ＋ｊ・ｓｉｎ（δ／２）・ｃｏｓ（２α）（１０） Ｄ＝ｓｉｎ（δ／２）・ｓｉｎ（２α） （１１）

【００３３】ここで、αはポッケルスセル５の主軸と入
射光の偏光面のなす角、δは式（３）に示したポッケル
スセル５における位相シフト量である。

【００３４】上記経路における透過率即ち上記反射光が
共振器内に残留する強度の割合Ｔは次式で表される。

【００３５】 Ｔ＝Ｍ_f ^* ・Ｍ_f （１２）

【００３６】レーザ発振動作について説明する。ポッケ
ルスセル５に電圧Ｖを印加し、上記発振器を低Ｑ状態に
する。励起光源８からの励起光９によりレーザロッド３
を励起する。このとき、上記印加電圧Ｖの値は誘導放出
を抑制するのに十分な損失を与えるものとする。レーザ
ロッド３が十分励起された後、上記印加電圧Ｖを上記残
留強度Ｔを１とする電圧にスイッチする。上記発振器が
高Ｑ状態となるので、急激に誘導放出が行われ、レーザ
発振が起こる。このとき、パルスレーザ光がカルサイト
プリズム２６よりレーザ出力光３１として出力される。

【００３７】電気光学効果を利用するＥ／ＯＱスイッチ
では共振器のＱ値を制御するために、共振器内に偏光を
制御するポッケルスセルを挿入する必要がある。ポッケ
ルスセルには通常ＫＤＰ，ＬｉＮｂＯ₃ 等の結晶を用い
る。これらの結晶は破壊閾値がそれほど大きくない。よ
って、レーザ共振器内部のレーザ光パワー密度が数１０
０ＭＷ／ｃｍ² に達する高パワー密度の条件では使用す
ることができない。また、図９に示したような偏光子か
らレーザ出力を取り出すレーザ装置では、ルーフプリズ
ムまたは偏光子を回転させることにより出力結合量を調
整する。しかし、ルーフプリズムにより出力結合量を調
整するには、自己補償型とするために２つのルーフプリ
ズムを共に回転させる必要がある。また、偏光子の回転
により出力結合量を調整すると、その回転によりレーザ
出力光の出力方向が変わる。このため、レーザ出力光を
同一方向に出力するためにはレーザ出力光を取り出す高
反射鏡の位置を調整する必要がある。このように出力結
合量を調整するには、複数の素子を調整しなければなら
ない。

【００３８】

【発明が解決しようとする課題】従来のＱスイッチは以
上のようにポッケルスセルを用いて構成されているの
で、ポッケルスセルに用いられる結晶の耐パワー密度は
低いため数百ＭＷ／ｃｍ²という高パワー密度において
は焼けてしまい使用することができない。従来のＱスイ
ッチには以上のような問題がある。

【００３９】この発明は上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、耐パワー密度の高いＱスイッチ
を得ることを目的とする。

【００４０】また、従来のレーザ装置は以上のように構
成されているので、Ｑスイッチ動作を行うには共振器内
に偏光を制御する素子を挿入する必要がある。このた
め、共振器の構成が複雑であった。さらに、上記偏光を
制御する素子に用いる結晶は破壊閾値がそれほど大きく
なく、高パワー密度の条件では使用することができず、
レーザ装置の高出力化が困難であった。また、従来の偏
光子からレーザ出力を取り出すレーザ装置では、レーザ
装置組立て時などにおいて出力結合量を調整する際に
は、複数の素子の調整が必要である。このため、出力結
合量を調整するのに時間が掛かる欠点があった。

【００４１】この発明は上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、簡単な構成で高出力化が可能な
Ｑスイッチ動作を行えるとともに、その出力結合量の調
整も簡単に行えるレーザ共振装置を得ることを目的とす
る。

【００４２】

【課題を解決するための手段】請求項１に係るＱスイッ
チは、レーザ発振器の光軸上に置かれ、入射された光の
所定の偏光成分を透過する偏光手段と、圧力を加えるこ
とによって屈折率が変化し圧力に応じて透過する光の偏
光状態が変化する等方性媒質からなり、上記光軸上に置
かれ上記偏光手段を透過した光が入射され透過する光学
部材と、上記光学部材に対し圧力を加える加圧手段と、
上記光学部材と上記加圧手段を保持する保持手段を備え
たものである。

【００４３】また請求項２に係るＱスイッチは、請求項
１における加圧手段を２つ有し光学部材の両側から圧力
を加えるようにしたものである。

【００４４】また請求項３に係るＱスイッチは、請求項
１における加圧手段に複数の圧力素子を重ねたものを用
いるようにしたものである。

【００４５】また、請求項４に係るレーザ共振装置は、
少なくとも一つの透明な等方性媒質よりなるルーフプリ
ズム（光学部材の一例）を用いて構成するレーザ共振器
において、上記ルーフプリズムに圧力を与える加圧手段
を備えたことを特徴とする。さらに、上記ルーフプリズ
ムに与える圧力を制御する圧力制御手段を設けるように
してもよい。上記ルーフプリズムの光弾性効果を利用
し、上記ルーフプリズムに与える圧力を制御することに
より、Ｑスイッチ動作及び出力結合量の調整を行う。

【００４６】

【作用】第１〜第３の発明に係るＱスイッチおいては、
圧力素子（加圧手段の一例）は透明な等方性媒質からな
る光学部材に圧力を加え、上記光学部材の特定方向の屈
折率を変えることにより透過する光の偏光状態を変化さ
せ、偏光子における光の損失を制御する。

【００４７】第４の発明に係るレーザ共振装置において
は、石英ガラスのような透明な等方性媒質の光弾性効果
を利用している。レーザ共振器を構成する透明な等方性
媒質よりなるルーフプリズム（光学部材の一例）に入射
する光は上記ルーフプリズムの斜面において全反射して
上記ルーフプリズムより出射される。上記ルーフプリズ
ムは等方性媒質よりなるので、上記出射光の偏光状態の
変化は全反射における位相シフトによる変化のみであ
る。上記ルーフプリズムに圧力を与えることにより歪み
や応力を生じさせると、上記ルーフプリズムは光弾性効
果により一時的に異方性を持つ。このとき、上記出射光
の偏光状態の変化量は全反射における位相シフトによる
変化量と光弾性効果により生じた異方性に起因する位相
シフトによる変化量の足し合わせとなる。上記異方性に
起因する位相シフトは上記ルーフプリズムに生じた歪み
や応力に対応する。したがって、上記ルーフプリズムに
与える圧力を制御することにより、Ｑスイッチ動作を行
うことができる。同様に、透明な等方性媒質よりなる２
個のルーフプリズムを用い偏光子からレーザ出力を取り
出すレーザ装置において、上記ルーフプリズムに圧力を
与えることにより、上記共振器内で共振する光の偏光状
態の変化量を調整できる。上記共振器内で共振する光の
変化した偏光成分は上記偏光子より出力される。よっ
て、偏光子からのレーザ出力の出力結合量を調整するこ
とができる。

【００４８】

【実施例】実施例１．以下この発明の一実施例を図につ
いて説明する。図１はこの発明によるＱスイッチの一実
施例の構成図である。４は偏光子、６は共振器の光軸、
１２は透明な等方性媒質よりなる光学素子、１３は光学
素子１２に圧力を加える圧力発生素子、１４は上記光学
素子１２と圧力発生素子１３を保持する剛性の高いフレ
ームである。偏光子４および光学素子１２は光軸６上に
ある。１５は上記圧力発生素子１３で発生する圧力を制
御する圧力制御装置である。光学素子１２と偏光子４と
は光学系を構成している。

【００４９】図２は図１の実施例１によるＱスイッチを
用いたＱスイッチ固体レーザ装置の構成図である。図に
おいて、１は高反射鏡、２は出力結合鏡であり、高反射
鏡１と出力結合鏡２はレーザ発振器を構成している。３
はレーザロッド、４はレーザロッドで発生した光が入射
する偏光子である。１２は光学素子、１３は圧力発生素
子、１４は剛性の高いフレームで図１に示したものと同
一である。これらと偏光子４が実施例１によるＱスイッ
チを構成している。６は上記発振器の光軸である。高反
射鏡１、出力結合鏡２、レーザロッド３、Ｑスイッチの
光学素子１２は光軸６上にある。７はレーザ出力光、８
はレーザロッド９を励起するための励起光源、９は励起
光、１５は圧力制御装置である。

【００５０】次に上記実施例１のＱスイッチの動作を図
１について説明する。光学素子１２は直方体の形状をな
しており、共振器の光軸６が光学素子１２を通りかつ光
学素子１２の端面に垂直となるように置かれる。圧力発
生素子１３は光学素子１２に接するように置かれ、圧力
発生素子１３は光学素子１２に十分圧力を加え歪を生じ
させることができるように、光学素子１２とともに剛性
の高いフレーム１４により保持される。圧力発生素子１
３は制御装置１５により制御され、光学素子１２に圧力
を加える。説明の便宜上、光学素子１２に圧力を加えた
ときの応力の方向をｘ軸をとり、それに垂直にｙｚ平面
をとる。ｚ軸は共振器の光軸６に平行とる。必ずしも光
軸と平行でなくても機能する。このとき応力テンソルの
主軸はｘ，ｙ，ｚ軸となる。圧力発生素子１３から光学
素子１２への圧力はｙｚ平面からｘ軸方向に与えること
になる。

【００５１】図２に示すように、励起されたレーザロッ
ド３において発生した光は偏光子４に入る。偏光子４は
共振器の光軸６を横切るようにレーザ発振器中に置かれ
ている。次に図１に示すように、偏光子４上に光学素子
１２のｘ，ｙ軸と平行にＸ，Ｙ軸をとる。偏光子４はＹ
軸に対しθ傾いた直線偏光のみを透過するので、偏光子
４を透過する光はＹ軸に対しθ傾いた直線偏光となる。
その光のＹ軸に対する角度θを説明の便宜上、０＜θ＜
π／２とする。偏光子４を透過する光は共振器の光軸６
とＸ軸を含む平面内に振動する偏光成分とこれと垂直な
面内に振動する偏光成分に分けることができる。偏光子
４を透過する光はＹ軸に対しθ傾いた直線偏光であるの
で、上記２つの直交する偏光成分の位相は同相である。

【００５２】次に偏光子４を透過した光は、光学素子１
２に入る。透明な等方性媒質よりなる光学素子１２は圧
力発生素子１３より圧力をうけない場合、等方性である
ので、共振器の光軸６とｘ軸を含む平面内に振動する光
とこれと垂直な面内に振動する光の屈折率は等しい。し
たがって光学素子１２を透過した光は、上記２つの直交
する偏光成分の位相は同相であるので、偏光状態は変わ
らず、Ｙ軸に対しθ傾いた直線偏光である。図２におい
て、光学素子１２を透過した光は出力結合鏡２で反射さ
れ、再び光学素子１２を透過する。その際、上記の様に
偏光状態は変化しない。次に偏光子４を透過するが、そ
のときの光はＹ軸に対しθ傾いた直線偏光であるため、
光は偏光子４において損失を受けない。

【００５３】しかし、圧力発生素子１３から光学素子１
２へｙｚ平面からｘ軸方向に圧力を与え、光学素子１２
を歪ませた場合、光弾性効果により発振器の光軸６とｘ
軸を含む平面内に振動する光とこれと垂直な面内に振動
する光の屈折率が異なるようになる。すなわち、光軸６
とｘ軸を含む平面内の屈折率は大きくなり、これと垂直
な面内の屈折率はほとんど変わらない。その変化量は光
学素子１２の歪に比例する。そのとき入ってくる光はＹ
軸に対しθ傾いた直線偏光であるので、ｘ軸およびｙ軸
それぞれの光の偏光成分について考えると、光の速さは
屈折率に反比例するので、一方の偏光成分は他方に比べ
遅く進むようになる。光学素子１２からでてくる光はそ
れら２つの偏光成分を合成したものであるから、２つの
偏光成分の位相差にしたがって透過する光の偏光状態が
変化する。Ｙ軸に対する角度が４５度のとき位相差が９
０度であれば円偏光に、１８０度であれば入射された光
を９０度回転させた直線偏光となる。またそれら以外の
位相差であれば楕円偏光となる。位相差は歪すなわち石
英硝子の変位量（圧電素子の変位量に等しい）に比例す
るので、圧電素子の印加電圧によって偏光状態を制御す
ることができる。

【００５４】その偏光状態の変化した光は、図２に示す
出力結合鏡２で反射され、再び光学素子１２を透過し、
その際さらに偏光状態が変化する。次に偏光子４を透過
するが、そのときに偏光面が異なるため、偏光子４にお
いて偏光状態の変化量に応じた損失を生じる。偏光子の
Ｙ軸に対する偏光角θを４５度とした場合、屈折率変化
量Δｎと歪Ｓの関係、２つの直交する偏光成分の位相差
Δθと屈折率変化量Δｎの関係および透過率Ｔr （損失
＝１−Ｔr ）と２つの直交する偏光成分の位相差Δθの
関係は次式のようになる。

【００５５】

【数２】

【００５６】光学素子１２の歪Ｓは圧力発生素子１３の
変位に対応する。したがってこの実施例のＱスイッチに
おける損失（透過率）は、圧力発生素子１３が圧力を光
学素子１２にかけ、その結果生じる変位量により制御す
ることができる。共振器のＱは損失が小さいほど大き
く、損失が大きいほど小さいという関係があるので、圧
力発生素子１３が圧力を加えることにより上記発振器の
Ｑを制御することができる。よって、圧力発生素子１３
からの圧力を制御装置１５により制御することにより、
損失を制御でき、Ｑスイッチ動作をおこなうことができ
る。

【００５７】一般的に、等方性媒質における応力Ｔと歪
Ｓの関係は次のテンソル式で表わされる。

【００５８】 Ｔ＝Ｃ：Ｓ （１６） Ｃ：スティフネス

【００５９】また、圧電素子における応力Ｔ’と歪Ｓ’
と電界Ｅの関係は次のテンソル式で表わされる。

【００６０】 Ｓ′＝ｄ・Ｅ＋Ｓ^E ：Ｔ′ （１７） ｄ：圧電定数 Ｓ^E ：Ｅ＝０におけるコンプライアンス

【００６１】例えば、光学素子１２に石英硝子、圧力発
生素子１３に圧電セラミクスのジルコン酸チタン酸鉛
（Ｌｅａｄ Ｔｉｔａｎａｔｅ−Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ）
の一種である圧電素子ＰＺＴ−５Ｈを用いた場合を考え
る。圧電素子ＰＺＴ−５Ｈは他の圧電素子に比べ低い印
加電圧で必要な変位を得ることができるので本実施例に
使用した。

【００６２】本実施例において、等方性媒質のｘ軸のみ
に応力が働くようにする。また圧電素子にＰＺＴ−５Ｈ
には圧電素子のｚ軸方向に電界を加えるとその方向に変
位するので、等方性媒質のｘ軸と圧電素子のｚ軸を一致
するように構成するものとする（これはＰＺＴ−５Ｈの
圧電特性による）。このとき歪ｓ、変位量Δｌ，応力Ｔ
および電圧Ｖの関係は次式に示すスカラー式で簡単に表
わすことができる。

【００６３】 Ｓ ＝ΔＬ／Ｌ （１８） Ｓ′＝ΔＬ／Ｌ′ （１９） Ｔ ＝Ｃ₁₁Ｓ （２０） Ｓ′＝ｄ_z3Ｅ_z ＋Ｓ₃₃Ｔ′ （２１） Ｖ ＝Ｅz Ｌ′ （２２） ΔＬ：光学素子および圧電素子の変移量 Ｌ：光学素子の長さ Ｌ′：圧電素子の長さ Ｃ11：等方性媒質のスティフネスの要素 ｄ_z3：圧電素子の圧電定数の要素 Ｓ₃₃：圧電素子のコンプライアンスの要素 Ｅ_z ：圧電素子のｚ軸に印加された電界

【００６４】式（１８）から式（２２）をまとめると、
圧電素子によって光学素子１２に生じる歪ｓと印加電圧
Ｖの関係は次式に示すようになる。

【００６５】

【数３】

【００６６】ここで具体的な透過率Ｔr と印加電圧Ｖの
値を求めてみる。例えば、光学素子１２に５ｍｍ×５ｍ
ｍ×１５ｍｍの石英硝子、圧力発生素子１３に厚さ２．
５ｍｍの圧電素子ＰＺＴ−５Ｈを用いた場合を考える。
光の波長が１．５４μｍの場合の石英硝子の圧力がない
ときの屈折率ｎ₀ 、光弾性係数ｐ、スティフネスの要素
ｃ₁₁および圧電素子ＰＺＴ−５Ｈの圧電定数の要素
ｄ_z3，コンプライアンスの要素ｓ₃₃は次に示す値をと
る。

【００６７】 ｎ_o ＝１．４６ （２４） Ｐ ＝０．２ （２５） Ｃ₁₁＝７．８５×１０¹⁰ Ｎ／ｍ² （２６） ｄ_z3＝５９３ ×１０^-12 Ｃ／ｍ² （２７） Ｓ₃₃＝２０．７×１０^-12ｍ²／Ｎ （２８）

【００６８】これらの値を式（２３）に代入すると、圧
電素子に３８０Ｖ加えたとき圧電素子が発生する変位に
より石英硝子に生じる歪は−７．２×１０^-5となり。し
たがって式（１３）（１４）（１５）により透過率Ｔは
０．８０となり、約１ｄＢのＱスイッチ損失を与える。
同様に圧電素子に１．２ｋＶ加えたとき、石英硝子に生
じる歪は−２．３×１０^-4である。透過率Ｔは０．０１
となり、最大のＱスイッチ損失を与える。この電圧は従
来のＥ／ＯＱスイッチにおける１／４波長電圧Ｖ_1/4 に
相当し、本実施例の光学素子と同じ大きさのニオブ酸リ
チウムＬｉＮｂＯ₃ 結晶を使ったポッケルスセルを用い
た場合の印加電圧のおよそ半分となる。

【００６９】また、石英硝子の耐パワー密度は数ＧＷ／
ｃｍ² 程度であり、ポッケルスセルに用いる燐酸二水素
カリウムＫＤＰ，ニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ₃ 等の結
晶に比べ、耐パワー密度は数倍高い。なお石英硝子はこ
れら結晶に比べ、媒質による散乱、吸収による挿入損失
も少ない。

【００７０】実施例２．図３はこの発明に係る他の実施
例を示す構成図である。１６は光学素子１２に隣接する
第１の圧力発生素子、１７は光学素子１２の第１の圧力
発生素子１６の反対側の面に隣接する第２の圧力発生素
子である。光学素子１２および第１の圧力発生素子１６
と第２の圧力発生素子１７は剛性の高いフレーム１４に
より支持される。

【００７１】次に動作について説明する。Ｑスイッチの
動作の原理は図１におけるこの発明に係る一実施例と同
じである。本実施例は圧力を加える方法の点で実施例１
と異なる。圧電素子の変位は圧電素子内部の電界に比例
するため、圧電素子の両端にかける電圧が一定であれ
ば、変位は圧電素子の長さによらず一定となる。したが
って、印加電圧あたりの変位（歪Ｓ）を大きくするに
は、圧電素子を２つ用意しそれぞれに電圧をかければよ
い。そこで図３に示すように、圧電素子を２つ用意し、
光学素子をはさみこむようにする。光学素子１２は第１
の圧力発生素子１６と第２の圧力発生素子１７の二つの
圧力発生素子から圧力を受け歪み、光弾性効果を生じ
る。光学素子１２で発生する歪を二つの圧力発生素子で
分担することになる。このため、同じ損失を生じるのに
必要な印加電圧は圧力発生素子が一つのときに比べて小
さくなる。

【００７２】光学素子１２に５ｍｍ×５ｍｍ×１５ｍｍ
の石英硝子、第１の圧力発生素子１６と第２の圧力発生
素子１７に厚さ１．２５ｍｍの圧電素子ＰＺＴ−５Ｈを
用いた場合、第１の圧力発生素子１６と第２の圧力発生
素子１７それぞれに印加する電圧Ｖと石英硝子の歪Ｓの
関係は次式のようになる。

【００７３】

【数４】

【００７４】実施例１の場合に比べ、同一電圧に対し２
倍の歪を生じさせるので、１ｄＢのＱスイッチ損失を与
える印加電圧は約１９０Ｖ、最大のＱスイッチ損失を与
える印加電圧は約６００Ｖとなり、圧力発生素子が一つ
のときにくらべさらに低電圧駆動のＱスイッチを得るこ
とができる。

【００７５】実施例３．なお本実施例では光学素子１２
を圧力発生素子１６ではさみこむようにしたが、図４
（ａ）に示すように光学素子１２の片側にまとめるよう
にしてもよい。また図４（ｂ）に示すように圧力発生素
子１６をさらに細分化してもよい。この場合、実施例１
の場合に比べ、同一電圧に対し４倍の歪を生じさせるの
で、さらに低電圧駆動のＱスイッチを得ることができ
る。このように圧電素子が細分化される限度において駆
動電圧を低くすることができる。

【００７６】実施例４．なお本実施例では等方性媒質の
形状を直方体としたが、２つの平面をもてばよく、６角
柱、８角柱、円柱でもよい。また光学素子に用いること
のできる等方性媒質として、石英硝子のほかに、フリン
トガラス、クラウンガラス、パイレックスガラス等があ
る。また圧力発生素子としてチタン酸バリウム、ニオブ
酸バリウムナトリウム等がある。また圧電素子に限らず
スイッチング速度がμｓ以下のオ−ダ−であれば本発明
における圧力発生手段に用いることができる。

【００７７】実施例５．以下この発明に係るレーザ共振
装置の実施例を図について説明する。図５はこの発明に
よるレーザ共振装置の第１の実施例の構成図である。１
８は第３のルーフプリズム、１９ａ，１９ｂは第３のル
ーフプリズム１８に圧力を与える第１の加圧装置、２０
は第１の加圧装置１９ａ，１９ｂで発生する圧力を制御
する圧力制御回路である。

【００７８】図５について説明する。第３のルーフプリ
ズム１８と出力鏡２により共振器を構成している。光軸
６上に置かれた偏光子４により上記共振器内で共振する
光は直線偏光となる。上記共振器内で共振する光の偏光
面を第３のルーフプリズム１８の稜線と平行もしくは垂
直となるようにする。第３のルーフプリズム１８は透明
な等方性媒質よりなり、側面に少なくても一組の平行平
面を持つ。第１の加圧装置１９ａ，１９ｂは上記一組の
平行平面上にあり、上記一組の平行平面間に圧力を与え
る。第３のルーフプリズム１８に加わる圧力の方向を上
記共振器内で共振する光の偏光面に対しπ／４の角度を
持つようにする。

【００７９】第１の加圧装置１９ａ，１９ｂにより第３
のルーフプリズム１８に圧力を加えると、光弾性効果に
より一時的に異方性を持つ。上記共振器内で共振する光
は第３のルーフプリズム１８において偏光状態が変化す
る。このため、偏光子４において損失を受ける。偏光子
４−第３のルーフプリズム１８−偏光子４の経路におけ
る行列Ｍ_f は次式で表される。

【００８０】 Ｍ_f ＝Ｍ_p ・Ｍ₀ ・Ｍ_r ・Ｍ₀ ・Ｍ_p （３０）

【００８１】ここで、Ｍ_O は第３のルーフプリズム１８
における光弾性効果を表す行列である。

【００８２】

【数５】

【００８３】ここで、δ´は上記共振器内で共振する光
は第３のルーフプリズム１８を通過するときに受ける位
相シフト量、θは第３のルーフプリズム１８に加わる圧
力の方向を上記共振器内で共振する光の偏光面のなす角
度である。

【００８４】式３０より求まるＭ_f を用いて上記経路の
透過率Ｔを式１２より求めることができる。上記経路の
透過率Ｔは上記位相シフト量δ´により制御することが
できる。δ´は次式で表される。

【００８５】 δ´＝−π・ｎ₀ ³ ・ｐ・ｓ・Ｌ／λ （３４）

【００８６】ここで、ｐは光弾性係数、ｎ₀ は圧力がな
いときの屈折率、ｓは第３のルーフプリズム１８に圧力
を加えられたことにより生じた歪み、Ｌは第３のルーフ
プリズム１８の圧力が働いている範囲の光路長、λは光
の波長である。

【００８７】歪みｓは第１の加圧装置１９ａ，１９ｂに
より第３のルーフプリズム１８に与える圧力に対応す
る。したがって、上記経路の透過率Ｔは第１の加圧装置
１９ａ，１９ｂにより第３のルーフプリズム１８に与え
る圧力により制御できる。

【００８８】Ｑスイッチ動作は以下のように行う。上記
共振器内で共振する光の偏光面と第３のルーフプリズム
１８に加わる圧力の方向の関係を考えるため、第３のル
ーフプリズム１８上で図６に示すように光軸６をＺ軸と
し、Ｘ，Ｙ軸とｘ，ｙ軸を考える。上記共振器内で共振
する光の偏光面をＸＺ面とし、第３のルーフプリズム１
８の稜線をＸ軸に平行とする。また、第３のルーフプリ
ズム１８に加わる圧力の方向をｘ軸に平行とする。した
がって、上記一組の平行平面はｙＺ平面に平行になる。
この実施例において、Ｘ軸とｘ軸のなす角θはπ／４で
ある。

【００８９】第１の加圧装置１９ａ，１９ｂより圧力を
受けない場合、第３のルーフプリズム１８は等方性であ
るので、第３のルーフプリズム１８を通過する上記共振
器内で共振する光はその偏光状態が保存される。また、
第３のルーフプリズム１８の稜線はＸ軸に平行であるの
で、第３のルーフプリズム１８の斜面における全反射を
行った後も、ＸＺ面を偏光面とする直線偏光である。よ
って、第３のルーフプリズム１８から反射した上記共振
器内で共振する光は偏光子４で損失を受けない。第１の
加圧装置１９ａ，１９ｂからの圧力が０の時、共振器は
高Ｑ状態となる。それに対し、第１の加圧装置１９ａ，
１９ｂより圧力を第３のルーフプリズム１８に与える
と、光弾性効果により式（１２）に応じた損失を受け
る。よって、共振器は低Ｑ状態になる。

【００９０】レーザ発振動作について説明する。第３の
ルーフプリズム１８に圧力を与え共振器を低Ｑ状態にす
る。励起光源８からの励起光９によりレーザロッド３を
励起する。このとき、上記第３のルーフプリズム１８に
与える圧力は誘導放出を抑制するのに十分な損失を与え
るものとする。レーザロッド３が十分励起された後、上
記第３のルーフプリズム１８に与える圧力を０とする。
上記発振器が高Ｑ状態となるので、急激に誘導放出が行
われ、レーザ発振が起こる。このとき、パルスレーザ光
が出力鏡２よりレーザ出力光７として出力される。

【００９１】第３のルーフプリズム１８には例えば石英
ガラス等の透明な等方性媒質、第１の加圧装置１９ａ，
１９ｂには例えばＰＺＴ系セラミックのような圧電素子
を用いる。圧電素子はμｓｅｃ以下のオーダーでスイッ
チングを行なうことができる。これは、Ｅｒ：ガラス等
の低利得のレーザ媒質を用いたレーザ装置のＱスイッチ
として十分使用することができる。また、石英ガラスは
ポッケルスセルに用いるＫＤＰ，ＬｉＮｂＯ₃ 等の結晶
に比べ、耐パワー密度は数倍高い。

【００９２】以上のように、この実施例によるレーザ共
振装置の構成により、特に偏光を制御するための素子を
共振器内に挿入することがないので構造が簡単な、また
耐パワー密度が高いので高出力化が可能な、Ｑスイッチ
動作を行うレーザ共振装置を得ることができる。

【００９３】以上のように、対向する一対の反射鏡の少
なくとも一方をルーフプリズムとしたレーザ共振器にお
いて、レーザ共振器の光軸に配置されたレーザ媒質と、
レーザ共振器の光軸に配置された偏光子と、上記ルーフ
プリズムに圧力を与える加圧手段と、上記圧力を制御す
る手段とを、有することを特徴とするレーザ共振装置を
説明した。

【００９４】実施例６．図７はこの発明に係わるレーザ
共振装置の第２の実施例を示す構成図である。図は前述
した第１の実施例の構成に台形プリズム３０を加えて折
り返し型の共振器としたものである。第３のルーフプリ
ズム１８と台形プリズム３０により自己補償型の構成と
している。Ｑスイッチの動作の原理は図５におけるこの
発明に係るレーザ共振装置の第１の実施例に等しい。

【００９５】実施例７．図８はこの発明に係るレーザ共
振装置の第３の実施例を示す構成図である。２１は第４
のルーフプリズム、２２ａ，２２ｂは第２の加圧装置、
２３は誘電体多層膜よりなる薄膜偏光子、２４は共振器
外に出される光である。第４のルーフプリズム２１は透
明な等方性媒質よりなり、第３のルーフプリズム１８と
同様の形状を持つ。

【００９６】図８について説明する。第３のルーフプリ
ズム１８と第４のルーフプリズム２１により薄膜偏光子
２３を介して共振器を構成している。第３のルーフプリ
ズム１８と第４のルーフプリズム２１の稜線を互いに垂
直にして自己補償型の構成としている。上記共振器内で
共振する光は薄膜偏光子２３により直線偏光となる。第
３のルーフプリズム１８と第４のルーフプリズム２１の
稜線は上記直線偏光の偏光面に対し平行または垂直とす
る。また、第１の加圧装置１９ａと１９ｂ第２の加圧装
置２２ａ，２２ｂが第３のルーフプリズム１８および第
４のルーフプリズム２１へ圧力を与える方向は上記直線
偏光の偏光面にそれぞれπ／４の角度をなすものとす
る。第３のルーフプリズム１８と薄膜偏光子２３により
Ｑスイッチを構成している。Ｑスイッチの動作の原理は
図５におけるこの発明に係るレーザ共振装置の第１の実
施例に等しい。

【００９７】レーザ出力８は薄膜偏光子２３より出力さ
れる。出力結合量は第４のルーフプリズム２１における
上記直線偏光した共振器内で共振する光の偏光状態の変
化量により決まる。したがって、第２の加圧装置２２
ａ，２２ｂにより第４のルーフプリズム２１に与える圧
力により、出力結合量を調整することができる。出力結
合量は第３のルーフプリズム１８におけるＱスイッチの
損失と同様に、式（１２）、式（３４）から求めること
ができる。

【００９８】第２の加圧装置２２ａ，２２ｂから第４の
ルーフプリズム２１に与える圧力は、Ｑスイッチ動作と
は異なり、一定の大きさであれば良い。したがって、第
２の加圧装置２２ａ，２２ｂには圧電素子を用いても良
いが、例えば剛性の高い板を挟んでねじで締めるという
ような簡単な構成でも構わない。

【００９９】通常、偏光子からレーザ出力を取り出すレ
ーザ装置では、偏光子またはルーフプリズムを回転させ
ることにより出力結合量を調整する。しかし、複数の素
子を調整しなければならない欠点があった。それに対
し、上記のような共振器構成ではルーフプリズムに与え
る圧力を調整するだけで出力結合量を簡単に調整できる
と言う利点がある。

【０１００】実施例８．なお、上記この発明に係るレー
ザ共振装置の第１，第２，第３の実施例において、第３
のルーフプリズム１８と第４のルーフプリズム２１の稜
線は上記直線偏光の偏光面に対し平行または垂直として
いる。これらのなす角度は上記以外の角度であっても構
わない。同様に上記ルーフプリズムに圧力を加える方向
は上記直線偏光の偏光面に対しπ／４としているが上記
以外の角度であっても構わない。ただし、Ｑスイッチ動
作において、偏光状態の変化量が異なるので、それに応
じて各ルーフプリズムに与える圧力を調整する必要があ
る。

【０１０１】

【発明の効果】以上のように第１〜第３の発明によれ
ば、偏光状態を変化させる手段として、等方性媒質を用
いた光学部材と加圧手段を組み合わせ、等方性媒質に圧
力が加えられることによって生じる光弾性効果を用いて
おり、等方性媒質の耐パワー密度は従来のＱスイッチに
使われているポッケルスセルの耐パワー密度より数倍高
いため、高パワー密度において動作可能なＱスイッチを
得ることができる。

【０１０２】また、第４の発明によれば、ルーフプリズ
ム等の光学部材に圧力を与えることにより、上記レーザ
共振器のＱ値を制御することより、特に偏光を制御する
ための素子を共振器内に挿入する必要がない。また、等
方性媒質は従来のＱスイッチに使われているポッケルス
セルより耐パワー密度が高いので、構造が簡単で高出力
化が可能なＱスイッチ動作を行うレーザ共振装置を得る
ことができる効果がある。

【０１０３】また同様に、透明な等方性媒質よりなる２
個のルーフプリズムを用いて偏光子からレーザ出力を取
り出すレーザ共振器の場合には、上記ルーフプリズムに
圧力を与えることにより、上記共振器内で共振する光の
偏光状態の変化量を調整できる。これにより、レーザ共
振装置組立て時などにおける出力結合量の調整を容易に
行うことができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明によるＱスイッチの一実施例の構成図
である。

【図２】この発明によるＱスイッチを用いたＱスイッチ
固体レーザ装置の構成を示す断面図である。

【図３】この発明に係るＱスイッチの他の実施例を示す
構成図である。

【図４】この発明に係るＱスイッチの他の実施例を示す
構成図である。

【図５】この発明によるレーザ共振装置の第１の実施例
の構成図である。

【図６】ルーフプリズムにおける偏光面と圧力のかかる
方向を示す説明図。

【図７】この発明によるレーザ共振装置の第２の実施例
の構成図である。

【図８】この発明によるレーザ共振装置の第３の実施例
の構成図である。

【図９】従来のＱスイッチを用いたＱスイッチ固体レー
ザ装置の構成を示す断面図である。

【図１０】従来のＱスイッチを用いたレーザ装置の構成
図である。

【図１１】従来のＱスイッチを用いたレーザ装置の構成
図である。

【図１２】ルーフプリズム１における角度β、ｉの関係
を示す説明図。

【符号の説明】

１ 高反射鏡／第１のルーフプリズム ２ 出力結合鏡／出力鏡 ３ レーザロッド ４ 偏光子 ５ ポッケルスセル ６ 発振器の光軸 ７ レーザ出力光 ８ 励起光源 ９ 励起光 １０ 電源 １１ Ｑスイッチ制御装置 １２ 光学素子 １３ 圧力発生素子 １４ 剛性の高いフレーム １５ 圧力制御装置 １６ 第１の圧力発生素子 １７ 第２の圧力発生素子 １８ 第３のルーフプリズム １９ａ，１９ｂ 第１の加圧装置 ２０ 圧力制御回路 ２１ 第４のルーフプリズム ２２ａ，２２ｂ 第２の加圧装置 ２３ 薄膜偏光子 ２４ 共振器外に出される光 ２５ 第２のルーフプリズム ２６ カルサイトプリズム ２７ 第１の高反射鏡 ２８ 共振器外に出される光 ２９ 第２の高反射鏡 ３０ 台形プリズム

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成４年７月７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項１

【補正方法】変更

【補正内容】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００５

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００５】図において、１は高反射鏡、２は出力結合
鏡で、高反射鏡１と出力結合鏡２は同じ光軸上にあり、
共振器を構成している。３は外部から励起されることに
よって光を発生するレーザロッド、４はレーザロッドで
発生した光が入射する偏光子、５はポッケルスセルであ
る。偏光子４とポッケルスセル５がＥ／ＯＱスイッチを
構成している。６は上記共振器の光軸である。高反射鏡
１、出力結合鏡２、レーザロッド３、偏光子４およびポ
ッケルスセル５は光軸６上にある。７は出力結合鏡２か
ら出力されるレーザ出力光、８はレーザロッド９を励起
するための励起光源、９は励起光源８で発生した励起
光、１０はポッケルスセル５に電圧を印加するための電
源、１１は電源１０を制御するＱスイッチ制御回路であ
る。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１１】ポッケルスセル５における偏光状態の変化
量はポッケルスセル５に印加する電圧に比例するから、
上記Ｅ／ＯＱスイッチにおける損失はポッケルスセル５
に印加する電圧により制御することができる。共振器の
Ｑは損失が小さいほど大きく、損失が大きいほど小さい
という関係があるので、結局、偏光状態を変化させるこ
とにより上記共振器のＱを制御することができる。図９
の構成におけるＥ／ＯＱスイッチの透過率Ｔr （損失は
（１−Ｔr ）で与えられる）と印加電圧Ｖの関係は次式
で表わされる。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１４】Ｑスイッチをもちいて出力ピークの非常に
大きな光パルスを得るためは、まずポッケルスセル５に
電圧Ｖを印加し、上記共振器を低Ｑ状態にする。励起光
源８からの励起光９によりレーザロッド３を励起する。
このとき、上記印加電圧Ｖの値は誘導放出を抑制するの
に十分な損失を与える値とする。レーザロッド３が十分
励起された後、上記印加電圧Ｖを０とする。するとＱス
イッチの損失は０になり、上記共振器が急激に高Ｑ状態
となるので、急激に誘導放出が行われ、レーザ発振が起
こる。このとき、パルスレーザ光が出力結合鏡２よりレ
ーザ出力光７として出力される。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１７】次に図１０に基づいて説明する。第１のル
ーフプリズム１と出力鏡２はレーザ共振器を構成してい
る。第１のルーフプリズム１および台形プリズム３０に
より上記レーザ共振器を自己補償型としている。上記共
振器内で共振する光は上記共振器内にある偏光子４によ
り定まる直線偏光となる。第１のルーフプリズム１の稜
線は上記共振器内で共振する光の偏光面に対し平行もし
くは垂直としている。偏光子４とポッケルスセル５はＥ
／ＯＱスイッチを構成している。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１８】まず、偏光子４とポッケルスセル５で構成
されるＥ／ＯＱスイッチについて説明する。ポッケルス
セル５に電圧を印加すると、電気光学効果により上記共
振器内で共振する光はポッケルスセル５を透過する際、
偏光状態が変化する。上記偏光状態の変化した光は偏光
子４を透過するときに損失を受ける。ポッケルスセル５
における偏光状態の変化はポッケルスセル５に印加する
電圧に依存する。したがって、上記Ｅ／ＯＱスイッチに
おける損失はポッケルスセル５に印加する電圧により制
御することができる。即ち、上記共振器のＱ値を制御す
ることができる。この構成におけるＥ／ＯＱスイッチの
損失Ｌと印加電圧Ｖの関係は次式で表される。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１９】Ｌ＝ｓｉｎ² （δ） （２） δ＝（π／２）・（Ｖ／Ｖ_1/4 ） （３） Ｖ_1/4 ：１／４波長電圧

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２１】レーザ発振動作について説明する。ポッケ
ルスセル５に電圧Ｖを印加し、上記共振器を低Ｑ状態に
する。励起光源８からの励起光９によりレーザロッド３
を励起する。このとき、上記印加電圧Ｖの値は誘導放出
を抑制するのに十分な損失を与えるものとする。レーザ
ロッド３が十分励起された後、上記印加電圧Ｖを０とす
る。上記共振器が高Ｑ状態となるので、急激に誘導放出
が行われ、レーザ発振が起こる。このとき、パルスレー
ザ光が出力鏡２よりレーザ出力光７として出力される。

【手続補正９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３６】レーザ発振動作について説明する。ポッケ
ルスセル５に電圧Ｖを印加し、上記共振器を低Ｑ状態に
する。励起光源８からの励起光９によりレーザロッド３
を励起する。このとき、上記印加電圧Ｖの値は誘導放出
を抑制するのに十分な損失を与えるものとする。レーザ
ロッド３が十分励起された後、上記印加電圧Ｖを上記残
留強度Ｔを１とする電圧にスイッチする。上記共振器が
高Ｑ状態となるので、急激に誘導放出が行われ、レーザ
発振が起こる。このとき、パルスレーザ光がカルサイト
プリズム２６よりレーザ出力光３１として出力される。

【手続補正１０】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３７】電気光学効果を利用するＥ／ＯＱスイッチ
では共振器のＱ値を制御するために、共振器内に偏光を
制御するポッケルスセルを挿入する必要がある。ポッケ
ルスセルには通常ＫＤＰ，ＬｉＮｂＯ₃ 等の結晶を用い
る。これらの結晶は耐パワー密度がそれほど大きくな
い。よって、レーザ共振器内部のレーザ光パワー密度が
数百ＭＷ／ｃｍ² に達する高パワー密度の条件では使用
することができない。また、図９に示したような偏光子
からレーザ出力を取り出すレーザ装置では、ルーフプリ
ズムまたは偏光子を回転させることにより出力結合量を
調整する。しかし、ルーフプリズムにより出力結合量を
調整するには、自己補償型とするために２つのルーフプ
リズムを共に回転させる必要がある。また、偏光子の回
転により出力結合量を調整すると、その回転によりレー
ザ出力光の出力方向が変わる。このため、レーザ出力光
を同一方向に出力するためにはレーザ出力光を取り出す
高反射鏡の位置を調整する必要がある。このように出力
結合量を調整するには、複数の素子を調整しなければな
らない。

【手続補正１１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４０】また、従来のレーザ装置は以上のように構
成されているので、Ｑスイッチ動作を行うには共振器内
に偏光を制御する素子を挿入する必要がある。このた
め、共振器の構成が複雑であった。さらに、上記偏光を
制御する素子に用いる結晶は耐パワー密度がそれほど大
きくなく、高パワー密度の条件では使用することができ
ず、レーザ装置の高出力化が困難であった。また、従来
の偏光子からレーザ出力を取り出すレーザ装置では、レ
ーザ装置組立て時などにおいて出力結合量を調整する際
には、複数の素子の調整が必要である。このため、出力
結合量を調整するのに時間が掛かる欠点があった。

【手続補正１２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４２】

【課題を解決するための手段】請求項１に係るＱスイッ
チは、レーザ共振器の光軸上に置かれ、入射された光の
所定の偏光成分を透過する偏光手段と、圧力を加えるこ
とによって屈折率が変化し圧力に応じて透過する光の偏
光状態が変化する等方性媒質からなり、上記光軸上に置
かれ上記偏光手段を透過した光が入射され透過する光学
部材と、上記光学部材に対し圧力を加える加圧手段と、
上記光学部材と上記加圧手段を保持する保持手段を備え
たものである。

【手続補正１３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４９】図２は図１の実施例１によるＱスイッチを
用いたＱスイッチ固体レーザ装置の構成図である。図に
おいて、１は高反射鏡、２は出力結合鏡であり、高反射
鏡１と出力結合鏡２はレーザ共振器を構成している。３
はレーザロッド、４はレーザロッドで発生した光が入射
する偏光子である。１２は光学素子、１３は圧力発生素
子、１４は剛性の高いフレームで図１に示したものと同
一である。これらと偏光子４が実施例１によるＱスイッ
チを構成している。６は上記共振器の光軸である。高反
射鏡１、出力結合鏡２、レーザロッド３、Ｑスイッチの
光学素子１２は光軸６上にある。７はレーザ出力光、８
はレーザロッド９を励起するための励起光源、９は励起
光、１５は圧力制御装置である。

【手続補正１４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５１】図２に示すように、励起されたレーザロッ
ド３において発生した光は偏光子４に入る。偏光子４は
共振器の光軸６を横切るようにレーザ共振器中に置かれ
ている。次に図１に示すように、偏光子４上に光学素子
１２のｘ，ｙ軸と平行にＸ，Ｙ軸をとる。偏光子４はＹ
軸に対しθ傾いた直線偏光のみを透過するので、偏光子
４を透過する光はＹ軸に対しθ傾いた直線偏光となる。
その光のＹ軸に対する角度θを説明の便宜上、０＜θ＜
π／２とする。偏光子４を透過する光は共振器の光軸６
とＸ軸を含む平面内に振動する偏光成分とこれと垂直な
面内に振動する偏光成分に分けることができる。偏光子
４を透過する光はＹ軸に対しθ傾いた直線偏光であるの
で、上記２つの直交する偏光成分の位相は同相である。

【手続補正１５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５３】しかし、圧力発生素子１３から光学素子１
２へｙｚ平面からｘ軸方向に圧力を与え、光学素子１２
を歪ませた場合、光弾性効果により共振器の光軸６とｘ
軸を含む平面内に振動する光とこれと垂直な面内に振動
する光の屈折率が異なるようになる。すなわち、光軸６
とｘ軸を含む平面内の屈折率は大きくなり、これと垂直
な面内の屈折率はほとんど変わらない。その変化量は光
学素子１２の歪に比例する。そのとき入ってくる光はＹ
軸に対しθ傾いた直線偏光であるので、ｘ軸およびｙ軸
それぞれの光の偏光成分について考えると、光の速さは
屈折率に反比例するので、一方の偏光成分は他方に比べ
遅く進むようになる。光学素子１２からでてくる光はそ
れら２つの偏光成分を合成したものであるから、２つの
偏光成分の位相差にしたがって透過する光の偏光状態が
変化する。Ｙ軸に対する角度が４５度のとき位相差が９
０度であれば円偏光に、１８０度であれば入射された光
を９０度回転させた直線偏光となる。またそれら以外の
位相差であれば楕円偏光となる。位相差は歪すなわち石
英硝子の変位量（圧電素子の変位量に等しい）に比例す
るので、圧電素子の印加電圧によって偏光状態を制御す
ることができる。

【手続補正１６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５６】光学素子１２の歪Ｓは圧力発生素子１３の
変位に対応する。したがってこの実施例のＱスイッチに
おける損失（透過率）は、圧力発生素子１３が圧力を光
学素子１２にかけ、その結果生じる変位量により制御す
ることができる。共振器のＱは損失が小さいほど大き
く、損失が大きいほど小さいという関係があるので、圧
力発生素子１３が圧力を加えることにより上記共振器の
Ｑを制御することができる。よって、圧力発生素子１３
からの圧力を制御装置１５により制御することにより、
損失を制御でき、Ｑスイッチ動作をおこなうことができ
る。

【手続補正１７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００８３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００８３】ここで、δ´は上記共振器内で共振する光
が第３のルーフプリズム１８を通過するときに受ける位
相シフト量、θは第３のルーフプリズム１８に加わる圧
力の方向を上記共振器内で共振する光の偏光面のなす角
度である。

【手続補正１８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００８４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００８４】式（３０）より求まるＭ_f を用いて上記経
路の透過率Ｔを式（１２）より求めることができる。上
記経路の透過率Ｔは上記位相シフト量δ´により制御す
ることができる。δ´は次式で表される。

【手続補正１９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００９０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００９０】レーザ発振動作について説明する。第３の
ルーフプリズム１８に圧力を与え共振器を低Ｑ状態にす
る。励起光源８からの励起光９によりレーザロッド３を
励起する。このとき、上記第３のルーフプリズム１８に
与える圧力は誘導放出を抑制するのに十分な損失を与え
るものとする。レーザロッド３が十分励起された後、上
記第３のルーフプリズム１８に与える圧力を０とする。
上記共振器が高Ｑ状態となるので、急激に誘導放出が行
われ、レーザ発振が起こる。このとき、パルスレーザ光
が出力鏡２よりレーザ出力光７として出力される。

【手続補正２０】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明によるＱスイッチの一実施例の構成図
である。

【図２】この発明によるＱスイッチを用いたＱスイッチ
固体レーザ装置の構成を示す断面図である。

【図３】この発明に係るＱスイッチの他の実施例を示す
構成図である。

【図４】この発明に係るＱスイッチの他の実施例を示す
構成図である。

【図５】この発明によるレーザ共振装置の第１の実施例
の構成図である。

【図６】ルーフプリズムにおける偏光面と圧力のかかる
方向を示す説明図。

【図７】この発明によるレーザ共振装置の第２の実施例
の構成図である。

【図８】この発明によるレーザ共振装置の第３の実施例
の構成図である。

【図９】従来のＱスイッチを用いたＱスイッチ固体レー
ザ装置の構成を示す断面図である。

【図１０】従来のＱスイッチを用いたレーザ装置の構成
図である。

【図１１】従来のＱスイッチを用いたレーザ装置の構成
図である。

【図１２】ルーフプリズム１における角度β、ｉの関係
を示す説明図。

【符号の説明】 １ 高反射鏡／第１のルーフプリズム ２ 出力結合鏡／出力鏡 ３ レーザロッド ４ 偏光子 ５ ポッケルスセル ６ 共振器の光軸 ７ レーザ出力光 ８ 励起光源 ９ 励起光 １０ 電源 １１ Ｑスイッチ制御装置 １２ 光学素子 １３ 圧力発生素子 １４ 剛性の高いフレーム １５ 圧力制御装置 １６ 第１の圧力発生素子 １７ 第２の圧力発生素子 １８ 第３のルーフプリズム １９ａ，１９ｂ 第１の加圧装置 ２０ 圧力制御回路 ２１ 第４のルーフプリズム ２２ａ，２２ｂ 第２の加圧装置 ２３ 薄膜偏光子 ２４ 共振器外に出される光 ２５ 第２のルーフプリズム ２６ カルサイトプリズム ２７ 第１の高反射鏡 ２８ 共振器外に出される光 ２９ 第２の高反射鏡 ３０ 台形プリズム

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 以下の要素を有するＱスイッチ （ａ）レーザ発振器の光軸上に置かれ、入射された光の
   所定の偏光成分を透過する偏光手段、 （ｂ）圧力を加えることによって屈折率が変化し屈折率
   に応じて透過する光の偏光状態を変化させる等方性媒質
   からなり、上記偏光手段を透過した光が入射され透過す
   る光学部材、 （ｃ）上記光学部材に対し圧力を加える加圧手段、 （ｄ）上記光学部材と上記加圧手段を保持する保持手
   段。
2. 【請求項２】 光学部材の両側から圧力を加える２つの
   加圧手段と、上記光学部材と上記２つの加圧手段を保持
   する保持手段を備えることを特徴とする請求項１記載の
   Ｑスイッチ。
3. 【請求項３】 光学部材に対し圧力を加える加圧手段に
   複数の圧力素子を重ねたものを用いることを特徴とする
   請求項１記載のＱスイッチ。
4. 【請求項４】 以下の要素を有するレーザ共振装置 （ａ）光を発生する光発生手段、 （ｂ）上記光発生手段により発生された光を反射する光
   学部材、 （ｃ）上記光学部材に対して圧力を加える加圧手段。