JPH06502965A - 偏向パワーレーザ - 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】 偏向パワーレーザ 本発明は、偏向パワーレーザに関するものである。

従来の特許では、放射された光ビームの角方向を調節する機能を有するレーザ゛ が知られている。しかしながら、このタイプのレーザはパワーが低い。

本発明は、構造の中に、放出の角度調節機能を有するパワーレーザに関するもの である。

パワーレーザのビームを非線形光学手段で処理′することにより、放出されたビ ームの空間的な品質を大幅に向上させ、さらに角度調節また発振器の位相同期化 を行う新しい機能を導入することが可能になる。本発明の特徴は、非線形媒質を 、光に誘導される屈折率変化と共に利用して、以下の二つの特性１０回折を制限 されたビームの発生 ０画角の広い偏光 を同時に得るようなレーザ構造にある ここに示すレーザ構造は、発振器／増幅器タイプのものであり、屈折率格子のダ イナミックな誘導と共役波発生のために非線形材料を使用する。さらに、レーザ より放出される高エネルギービームの偏向は、低エネルギービームを音響光学偏 向させた結果生じるものである。

従って、本発明は、方向性を有するパワーレーザで、少なくとも下記の ○方向を固定された第１ビームおよび方向可変の菓２ビームが照射される、非線 形材料よりなる媒質と、○第１ビームの方向に沿って設置され、第１および第２ ビームを少なくとも一部に受け、増幅させ、増幅されたビームを非線形材料より なる媒質へ再送出する（この媒質が増幅ビームを第２ビームの方向へと反射する ）増幅媒質と、○増幅されたビームの経路に設置された第１のビームスプリッタ 素子と を有するようなパワーレーザに関するものである。

本発明の様々な目的および特徴は、下記の説明および添付した図よりさらに明ら かになろう。

図１は本発明構造物の一般的な実施例を示している。

図２は本発明構造物の具体な実施例を示してい乞。

図３は本発明装置の変形例を示している。

図４は本発明装置の別の変形例を示している。

従って、初めに図１に基づき、本発明装置の一般的な説明を行う。

２つの偏向ビームＩｌｌよびＩ２が、非線形材料よりなる媒質ＮＬＩに送られる 。ビームＩ２は、図示していない手段によって角度方向を調節されていても良い 。２つのビーム１１およびＩ２は、非線形媒質において干渉して、少なくとも光 の一部を光増幅器２へ送出する屈折率回折格子を作り出す。この光は、少なくと も１回、光増幅器内から出て反射装置３で反射され、光増幅器へと戻る。

増幅されたビームＩｃは非線形媒質ＮＬＩへ送り返される。

このビームＩｃの偏光方向は、四分の一波長板λ／４が存在するため、ビーム１ １およびビームＩ２の偏光方向に対して９０゜回転される。増幅されたビームＩ ｃは少なくともその大部分が非線形媒質によってビーム■２の方向に反射される 。続いて偏光スプリッタＳＰにより増幅されたビームが抽出されビームＩＴが放 出される。一 本発明装置は、図２に示すように、以下の要素○トリガードモードで作動する縦 型単一モードレーザ発振器１と ○反射後の２重通過増幅器として働く増幅器２とＯ増幅器２より送出された波を 反射させる共役ミラーまたはセルフポンピング型位相共役ミラー３とＯ高い回折 効率を有する光誘導格子をダイナミックに誘導する媒質として使用される非線形 媒質ＮＬＩ（その機能に関しては後に詳細を説明する）と ○所与の角度範囲にわたって、必要な空間解像度を有するビーム偏向器４と ○レーザ発振器より送出されたビームをビーム１１とＩ２とに分けるビームスプ リッタ７と ○フォーカシング装置、Ｌｌ、Ｌ２、Ｌ３と○反射ミラー５および６と ○増幅器２と位相共役ミラー３の間に設置された四分の一波長板λ／４と を具備している。

広範囲を走査する機能を含むこのレーザ装置の動作は、つぎのように行われる。

すなわち、レーザ発振器１より発生するビームは２つのビーム１１と１２とに分 けられ、そのうち１つはＩＤまたは２Ｄ角の偏向を受ける（例えばビーム偏向器 ４内の音響光学偏向ユニット）。光学系ＬＬ−Ｌ２は、２つのビーム１１および Ｉ２の干渉縞図形で照らされる非線形媒質ＮＬ１にビームの回転中心を写し出す 。選択される相互作用は、非線形材料（ローカルレスポンスを有する材料：屈折 率の光誘導変化が干渉縞図形の空間的照射と同相である）から出る２つのビーム ■１とＩ２の間にエネルギー再分配が無いようなものとする。

ビームエ１は、共役ミラーで反射される。従って、ビーム■１はゲインの高いレ ーザ増幅器２を２回通過することになる。以上の条件で、増幅器２の出口では、 位相の歪みが完全に修正されて、その強度が下記： Ｉｅ　＝Ｉ＋　ＸＲｃ　ｅｘｐ　２γＬここで、 Ｒｃ　：共役ミラーの反射係数 Ｌ　二ロッドの長さ γ　：レーザのゲイン係数 で示されるようなパワービーム■。が得られる。

このビーム■。は、非線形媒質ＮＬＩに入射し、ビーム１１−１．によって光誘 導された屈折率格子によって回折を受ける。

このことによって、高エネルギーの送出ビームＩＴが生じ、このビームの方向は 、偏向器４より出るビームＩ２の方向である。

この４波相互作用においては、（ギガヘルツオーダの）ブリユアンシフトが光周 波数と比較して小さいままであるために、ビームは全て同じ周波数であると見な すことができる。ビームｌｃはブラッグ入射で格子を再走査し、下記の光回折効 率を得る。

Ｉ丁＝Ｉ＋　ＸηＲｃ　ｅｘｐ　２ｒＬここで、 η＝ｓｉｎ’ｙｒｄ△ｎ／λ、 ｄ、△ｎはそれぞれ媒質ＮＬＩの厚みと屈折率の変化を示す。

この光誘導回折格子の再走査動作では、ｄ△ｎ′＝、λ／２の条件に対応する単 位に近い効率ηを得る試みがなされる。

それ故、格子の偏向機能を含むレーザシステムの動作モードは、下記の３つの動 作上の特性に基づく。

ａ）ビームＩ、の偏向方向の選択および非線形媒質ＮＬＩにおける２つの波の干 渉方向 ｂ）ビーム■１の２重通過増幅および位相共役ｃ）１．の光誘導格子による効果 的な回折によって１２の方向に放出されるパワービーム■７を得ること図２に示 すように、２つのビーム１１およびＩ２は、例えば図の面に平行な同一偏光を有 する。レーザ増幅器２とフォーカシングレンズＬ３との間に挟まれたλ／４板は 、２重通過後に９０゛まで回転する偏光を生じる。（入射偏光に対して垂直な） この水平方向の偏光は、光誘導格子を走査するために使用され、さらに偏光スプ リッタ５Ｐ−１によって反射される。同様に、ビーム１１の光路に置かれた偏光 スプリッタ５Ｐ−２が、回折を受けない光の小部分が発振器方向に戻るのを防ぐ 。

従来の手段（電気光学セルおよび音響光学セル）によってトリガされる発振器１ より発振されるパルスは、１０〜２０ｎｓのオーダである。非線形媒質ＮＬＩへ の格子の誘導は、１〜２ｎｓオーダの時間定数で行われ、この定数はブリユアン ミラー３の形成に匹敵する。増幅器の寸法りが限られているために（Ｌ＋３ブリ ユアンセル３　＞　３０ｃｍ）　、格子の誘導の非線形相互作用および格子の走 査はほぼ同時に行われる（ＮＬ−１の走査について２ｎｓオーダの遅れがある） 。そのようなレーザからパルスが送出される割合は１０〜数百ヘルツで、数マイ クロ秒のオーダである光誘導格子の緩和時間は、所望の用途に完全に見合ったも のである。同様に音響光学技術では数マイクロ秒である偏光器４の時間定数は、 任意の角度方向のビーム（単一パルスまたは一連のパルス）のダイナミックなポ ジンヨニングに完全に適している。

非線形媒質ＮＬＩの選択は、媒質の応答時間は別として、以下の規準を満足する ようなものとする。

０発信器より発生する所与のパワー密度についての屈折率の変化△ｎの幅。材料 に入射するパワー密度は、ビームＩＩ　Ｉ２の直径を用いて調節する。

△ｎ＝ｎ、　ｘ　（Ｉ　＋　＋　Ｉ２　）　Ｗ／ａｍまただし　Ｉ２−非線形係 数。

○Ｉ２方向でのビーム■。の回折効率を１００％に近くするための低い吸収。

○■１およびＩ２の干渉による可変ピッチの回折を誘導するために便利な受入角 度（例えば１０°〜２０°）。

以上の規準を満足するものとして考えられる非線形メカニズムは、 ○光学的カー効果（Ｃ３，一液晶、有機結晶など）、○光屈折効果（Ｓ　Ｂ　Ｎ 、　ＧａＡｓ、　Ｂ　ＳＯなど）、○飽和吸収（色素、半導体など）、 ○レーザ材料（ＹＡＧ、ルビー、ガラス、Ｎｄなど）。

例として、Ｃ８２における光学的カー効果の利用に対応した数値に関する適用を 以下に示す（基準材料ｎ　２＝　２　ｘ　１０−”ｃｍ２Ｗ−’）。

この材料は効果を明らかに示すために必要な特性を持つ点で有利である。

図３のレーザ構造は、偏光器４が音響光学タイプのものである場合の最も一般的 なケースにおける、本発明のさらに小型の変形例を示している。セルによって回 折されない部分がビーム■、を構成している。回折された部分はビームＩ２で、 その方向は偏光器によって選択される。偏光スプリッターＳＰによって、増幅器 よりの戻りの際にパワービームを抽出するこきができるようにしている。偏光器 ４の出口においてビームを増幅器ロッド直径に適合させる動作は、必要に応じて 合焦光学系によって行う。

非線形媒質ＮＬＩは、ここの場合も、スプリッターＳＰと、ビームＩＣをビーム ｒ、の方向に沿って再送出する増幅器２との間に配置されている。

図４に示ずレーザ構造では、非線形材料ＮＬＩとしてレーザ媒質と同じ材料を使 用する。この方法には下記のような幾つかの有利点がある。

○非線形媒質ＮＬＩは、誘導放出によっ“Ｃビームを増幅するために使用される ものと同一である。必要となる特性を全て備えた別の材料を探す必要はない。

Ｏ出力ビーム１．を発生させる非線形メカニズムは、レーザ増幅器のゲインの飽 和である。

Ｃビームの処理（本発明の場合、角度偏光）機能は誘導放出による増幅の機能に 含むことができる。図４では、２つの機能−光誘導格子ＮＬＩと２重通過増幅− が空間的に分離されているが、フラッシュ（あるいはダイオード）ポンピングに よって反転分布中白に維持されている同じ材料の中に作り出される。

以下に実施例を挙げて具体的な説明を行うが、その際各種構成要素は以下の通り である。

単一モード発信器： Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ダイオードポンプＩｏｎｓ−４０ｍＪパルス。

２Ｄ−ＴｅＯ□音響光学偏光ユニット ポイント数＋５００ｘ５００ アクセス時間：５μｓ 効率：５０％ 角度偏位：１０°　（φｄ　＝　２　ｍｍ）位相共役ミラー： ブリユアンセル：　ＣＨ４＝　１００　ａｔｍ光波の反射率ニア０％ ２重通過し−ザ増幅器： 直径φＬニアｍｍ レーザゲイン：０．１５／ｃｍ 長さＬ　：　１０　ｃｍ ＮＬ−１媒質： カー効果０８２ １　＋＋　Ｉ　２　’＝　３０ｍＪ−φ”、ｌ　ｍｍ１’ｌ：ｎｏ　＋４．２　 ＸＩＯ”ｘ　Ｉ　（Ｗｍ−２）媒質に入射するパワー密度： Ｉ　＝１０’　Ｗｃｍ−’　；　ＩＱ１２Ｗｍ−’屈折率の光誘導変化 △ｎ　＝　１．２６Ｘ　１０−５ 光波ＩＣについて効率が１００％となるようなセルの厚みｄ！＝、λ／２へｎ＝ ４０ｍｍ レーザにより放出されるエネルギー Ｉｔ　＝０．７　Ｘ　３０　Ｘ　１０−’　Ｘ　ｅｘｐＯ，３Ｘ　１０ＩＰ！＝ ｆ６００ｍＪ 本発明装置には以下のような利点がある。

○増幅および位相共役を受けるビームが固定されたままである。この条件下で、 増幅媒質の全体が使用される。比較のために、公知のマイクロスキャン二ンク技 術においては、ビームはアクティブな容積の内の限られた部分を占めるにすぎな い（一般には５０％）。

○ここで提案されたレーザ構造によって、非常に良好な空間ビーム品質を有し、 放出方向を迅速に制御できる（一般には数マイクロ秒）高エネルギー源を作り出 すことができる。

○この構造では、所与の角度範囲内で共役ビームをダイナミックに回折すること が唯一の機能である非線形媒質ＮＬＩを使用する。

○この構造は数個の増幅段を使用する際にも適用できる。

上記の説明は単に例として挙げたものである。本発明の範囲を逸脱することなく その他の変形例が考えられる。特に、本発明装置の各要素として示した具体装置 は、説明を具体的にするために用いたにすぎない。

ＦＩＧ、３ ＦＩＧ、４ フロントベージの続き （７２）発明者　ピュック、クロード フランス国　９２０４５　パリ　ラ　デフアンス　セデックス　６７トムソンー セーエスエフ　エスセーペーイー

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．方向を固定された第１ビーム（Ｉ１）と方向可変の第２ビーム（Ｉ２）とが 照射される非線形材料よりなる媒質（ＮＬ１）と 第１ビーム（Ｉ１）の方向に沿って設置され、第１ビームの方向に沿った第１お よび第２ビームの一部を少なくとも受けて増幅し、増幅されたビーム（Ｉｃ）を 非線形材料よりなる媒質（ＮＬ１）へと再送し、この媒質が増幅ビーム（ＩＣ） を第２ビーム（Ｉ２）の方向へと反射するようになっている増幅媒質（２）と 増幅されたビーム（Ｉｃ）の経路に設置された第１のビームスプリッタ素子（Ｓ Ｐ１）と を少なくとも有することを特徴とする偏向パワーレーザ。
2. ２．方向可変の第２ビームを出力する調節可能な光学的偏光器（４）を有してい ることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
3. ３．光源（１）と、光源から放出されたビームを受けて代わりに第１および第２ のビームを出力する第２のビームスプリッタ（７）とを備え、偏光器が第２ビー ムの経路に設置されていることを特徴とする請求項２に記載のレーザ。
4. ４．第１および第２のビームが同一の偏光方向に偏光しており、非線形材料より なる媒質（ＮＬ１）の出口側に設置された四分の一波長板を備え、 第１のビームスプリッタ（ＳＰ１）が偏光スプリッタであることを特徴とする請 求項１に記載のレーザ。
5. ５．増幅器（２）と組み合わされており、第１および第２のビームを増幅器へと 反射させる位相共役ミラー（３）を備えていることを特徴とする請求項１に記載 のレーザ。
6. ６．偏光器（４）が音響光学偏光素子であることを特徴とする請求項２に記載の レーザ。
7. ７．非線形媒質（ＮＬ１）がカー効果素子または光学屈折結晶またはレーザ材料 であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
8. ８．非線形媒質（ＮＬ１）および増幅器（２）が同じ単一の材料ブロック内に作 られていることを特徴とする請求項７に記載のレーザ。
9. ９．位相共役ミラー（３）がブリュアンセルであることを特徴とする請求項５に 記載のレーザ。