JPH08148739A - Laser resonator and laser apparatus provided with said laser resonator - Google Patents

Laser resonator and laser apparatus provided with said laser resonator

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JPH08148739A
JPH08148739A JP6285470A JP28547094A JPH08148739A JP H08148739 A JPH08148739 A JP H08148739A JP 6285470 A JP6285470 A JP 6285470A JP 28547094 A JP28547094 A JP 28547094A JP H08148739 A JPH08148739 A JP H08148739A
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JP
Japan
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laser
total reflection
reflection mirror
waveguide
laser medium
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Application number
JP6285470A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Taichiro Tamida
太一郎 民田
Junichi Nishimae
順一 西前
Masaki Kuzumoto
昌樹 葛本
Kenji Yoshizawa
憲治 吉沢
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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Publication of JPH08148739A publication Critical patent/JPH08148739A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE: To make phase distribution uniform so that it may be considered to be a spherical wave emitted from a certain point, by designing second and third total reflection mirrors so that the virtual image of a center circle at the center of the beam waist of a laser beam being in the ring cylindrical part in a laser medium gathers at a point near above the central axis of the laser medium. CONSTITUTION: A total reflection mirror parts of whose conical surface are the surfaces of total reflection mirrors 3 and 4 is thought of. On this occasion, beams emitted from wave directing path ends 24 and 25 and reflected by the total reflection mirrors 3 and 4 can be considered to be beams emitted from a virtual image 26 at the upper part of a wave directing path end and that 27 at the lower part of the wave directing path end. At this time, it is possible to make the center coincide with the end surfaces of the virtual images 26 and 27 by adjusting the angles of the total reflection mirrors 3 and 4. When design is done in this way, it is possible to treat a beam emitted from the end of a circular wave directing path equally with one emitted from a certain point effectively. Namely, its wave surface is considered to be a spherical wave, and can be made uniform.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、環円筒形状のレーザ
媒質から高品質なビームを取り出すレーザ共振器及び該
レーザ共振器を備えたレーザ装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser resonator for extracting a high-quality beam from a ring-shaped laser medium and a laser device equipped with the laser resonator.

【0002】[0002]

【従来の技術】図18は例えば特開平3−62579号
公報に示された、ワキシコンと呼ばれるミラーを用いた
従来のレーザ共振器を示す断面図であり、図において、
1は環円筒形状(又は単に円筒型とも言う)のレーザ媒
質、2は全反射ミラー、5はレーザ光が放出される部分
反射ミラー、42はワキシコンと呼ばれるミラーであ
る。図18において、レーザ共振器はその中心軸を含む
平面での断面図が描かれている。ワキシコンとは頂角9
0度の円錐形(アキシコン)を2重にした構成のミラー
であり、このワキシコンミラー42は、環円筒形状のレ
ーザ媒質1で生成された断面が円環形状のレーザビーム
を中心に折り曲げ、中心でほぼ平行な円形ビームに変換
するような構成を有している。
2. Description of the Related Art FIG. 18 is a sectional view showing a conventional laser resonator using a mirror called a waxicon, which is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 3-62579.
Reference numeral 1 is a ring-cylindrical (or simply cylindrical) laser medium, 2 is a total reflection mirror, 5 is a partial reflection mirror for emitting laser light, and 42 is a mirror called a waxicon. In FIG. 18, the laser resonator is shown in a sectional view in a plane including the central axis thereof. Waxicon is a vertical angle 9
This is a mirror having a configuration in which a 0-degree conical shape (axicon) is doubled, and the waxicon mirror 42 is bent around a laser beam having a circular cross section generated by the ring-cylindrical laser medium 1, The structure is such that it is converted into a circular beam that is substantially parallel at the center.

【0003】ところで、環円筒形状のレーザ媒質は、冷
却、励起、小形化等の点において、様々な有益性が報告
されている。例えばガスレーザに於いては、熱伝導によ
るガス冷却方式で効率的にガス冷却を行うことができる
点、小形化が可能な点などが挙げられ、固体レーザに於
いては、高効率の励起が可能である点などが挙げられ
る。
By the way, various advantages of the ring-cylindrical laser medium have been reported in terms of cooling, excitation, miniaturization and the like. For example, gas lasers can be efficiently cooled by a gas cooling method using heat conduction, and can be miniaturized. In solid-state lasers, highly efficient pumping is possible. And the like.

【0004】このような環円筒形状のレーザ媒質を有す
るレーザ装置を実用化するにおいて、最も大きな問題と
なるのは、環円筒形状のゲイン空間からガウス型モード
に近い高集束の円形ビームを取り出すことである。この
ために様々なレーザ共振器が提案されており、図18に
示した従来のレーザ共振器はその一例である。
In practical use of a laser device having such a ring-cylindrical laser medium, the biggest problem is to extract a highly focused circular beam close to a Gaussian mode from the ring-cylindrical gain space. Is. Various laser resonators have been proposed for this purpose, and the conventional laser resonator shown in FIG. 18 is one example.

【0005】次に環円筒形状を有するレーザ媒質の特徴
について説明する。例えば、CO2レーザにおいて、そ
のレーザ媒質であるレーザガスを冷却することは不可欠
である。なぜならCO2 レーザはそのガス温度の上昇に
ともなって、急激に出力が低下するという性質をもつか
らである。そのため、全てのCO2 レーザは必ず何らか
のガス冷却機構を有しており、多くの場合それはCO2
レーザ構成上非常に大きな部分を占めている。
Next, the characteristics of the laser medium having a ring-cylindrical shape will be described. For example, in a CO 2 laser, it is essential to cool the laser gas that is the laser medium. This is because the CO 2 laser has the property that its output sharply decreases as the gas temperature rises. Therefore, all CO 2 lasers always have some kind of gas cooling mechanism, which in most cases is CO 2
It is a very large part of the laser structure.

【0006】例えば、高出力のCO2 レーザでは、レー
ザガスをレーザ共振器の外部で循環させ、ブロアや熱交
換器を通して強制的に冷却することによって、常に冷却
されたレーザガスがレーザ共振器内に供給されるような
方法が取られている。しかしながら、この方法は高出力
化が容易な反面、ブロアや熱交換器等の部品を必要とし
装置が大型になり、コスト、信頼性などの点で多くの問
題点が挙げられている。
For example, in a high output CO 2 laser, the laser gas is circulated outside the laser resonator and is forcibly cooled through a blower or a heat exchanger so that the laser gas is always cooled and supplied into the laser resonator. The method that is done is taken. However, although this method is easy to achieve high output, it requires parts such as a blower and a heat exchanger, which makes the apparatus large in size, and has many problems in terms of cost and reliability.

【0007】一方、小形のCO2 レーザでは、ガスの循
環系をもたず、電極を冷却し、熱伝導によってガスを冷
却する方式をもつものもある。しかし、この方式では熱
伝導によってレーザガスを冷却しているので、ビーム径
を大きくするとビームの中心の温度が上がってしまい、
ビーム径を大きくして高出力化することができないとい
う欠点を有している。
On the other hand, there are some small CO 2 lasers that do not have a gas circulation system but have a system of cooling the electrode and cooling the gas by heat conduction. However, in this method, the laser gas is cooled by heat conduction, so if the beam diameter is increased, the temperature at the center of the beam rises,
It has a drawback that the beam diameter cannot be increased to increase the output.

【0008】これらの問題を解決するために、短ギャッ
プの平板型のレーザ媒質をもつレーザ装置が提案されて
いる。平板型の電極を短ギャップで対向させ、その電極
を冷却することによって、熱伝導による冷却が効率的に
行われ、かつ平板の面積を拡大することによって、出力
を増大することができる。
In order to solve these problems, a laser device having a flat type laser medium with a short gap has been proposed. The flat plate type electrodes are opposed to each other with a short gap, and the electrodes are cooled, whereby cooling by heat conduction is efficiently performed, and the output can be increased by increasing the area of the flat plate.

【0009】このような平板型のレーザを円筒形に丸め
たものが、この発明の対象とする環円筒形状のレーザ媒
質を有するレーザ装置である。このタイプのレーザ装置
は、平板型と比較してさらに小形にすることが可能であ
り、また、真空装置の構造も簡単になる。
A laser device having a ring-cylindrical laser medium, which is the object of the present invention, is obtained by rolling such a flat plate type laser into a cylindrical shape. This type of laser device can be made smaller than the flat plate type, and the structure of the vacuum device can be simplified.

【0010】さらに、CO2 レーザ以外のレーザでも環
円筒形状のレーザ媒質はいろいろな有効性を有してい
る。例えば、YAGレーザでは、フラッシュランプでレ
ーザ媒質を励起するが、環円筒形状のYAGロッドの内
部にフラッシュランプを挿入すると、ランプの光が非常
に効率良くレーザ媒質に吸収され、高効率な発振が可能
になる。
Further, the laser medium having a ring-cylindrical shape has various advantages in lasers other than the CO 2 laser. For example, in a YAG laser, a laser medium is excited by a flash lamp, but when the flash lamp is inserted inside a ring-shaped YAG rod, the light of the lamp is very efficiently absorbed in the laser medium, and highly efficient oscillation is generated. It will be possible.

【0011】このように、環円筒形状のレーザ媒質は、
特に冷却と励起に関して、非常に魅力的な特徴を有する
が、この最大の問題点はビームの取り出しにある。環円
筒形状のレーザ媒質から実用に適する高集束な円形ビー
ムを取り出すためには、例えば図18に示したような複
雑なレーザ共振器を構成する必要がある。
As described above, the ring-cylindrical laser medium is
It has very attractive features, especially with respect to cooling and excitation, but the biggest problem is in beam extraction. In order to extract a highly focused circular beam suitable for practical use from a ring-cylindrical laser medium, it is necessary to configure a complicated laser resonator as shown in FIG. 18, for example.

【0012】次に図18に示すワキシコンミラーを用い
た共振器の動作について説明する。環円筒形状のレーザ
媒質1は内側、外側の2つの同心の円柱型電極(図示せ
ず)の間隙として構成され、その間の放電によって環円
筒形状のレーザ媒質1が励起される。内側、外側の電極
はそれぞれその内側、外側から水冷されている。電極間
の放電空間はビームの導波路として機能している。
Next, the operation of the resonator using the wax control mirror shown in FIG. 18 will be described. The ring-cylindrical laser medium 1 is formed as a gap between two inner and outer concentric cylindrical electrodes (not shown), and the ring-cylindrical laser medium 1 is excited by the discharge between them. The inner and outer electrodes are water-cooled from the inner and outer sides, respectively. The discharge space between the electrodes functions as a beam waveguide.

【0013】環円筒形状のレーザ媒質1で発生、増幅さ
れたレーザビームは円筒の軸方向に伝搬していく。ワキ
シコンミラー42に到達した円環形状のレーザビーム
は、まず外側の円錐形状ミラー421によって内側に方
向を変えられ、さらに内側の円錐形状ミラー422によ
ってワキシコンへの入射方向とちょうど反対方向に折り
返される。このとき、入射時に円環形状であったレーザ
ビームはワキシコン反射時には中心部に集められ円形に
なる。このようにして、円環形状のレーザビームを円形
に変換することができる。レーザ共振器はワキシコンミ
ラー42、全反射ミラー2、及び部分反射ミラー5で構
成され、部分反射ミラー5からは円形ビームが取り出さ
れる。
The laser beam generated and amplified by the ring-shaped cylindrical laser medium 1 propagates in the axial direction of the cylinder. The ring-shaped laser beam that has reached the waxicon mirror 42 is first redirected inward by the outer conical mirror 421, and then turned back by the inner conical mirror 422 in the direction exactly opposite to the incident direction to the waxicon. . At this time, the laser beam, which was circular in shape at the time of incidence, is collected in the central portion at the time of reflection by the waxicon and becomes circular. In this way, the annular laser beam can be converted into a circular shape. The laser resonator is composed of a waxicon mirror 42, a total reflection mirror 2 and a partial reflection mirror 5, and a circular beam is extracted from the partial reflection mirror 5.

【0014】[0014]

【発明が解決しようとする課題】上記のワキシコンミラ
ーを用いたレーザ共振器をはじめ従来のレーザ共振器は
以上のように構成されているので、出射ビームはレーザ
媒質の円環の各点から発した光の足し合わせたものとな
っており、それ故波面が必然的に歪んでしまうという問
題点があった。
Since the conventional laser resonator including the laser resonator using the above-mentioned wax-type mirror is constructed as described above, the emitted beam is emitted from each point of the ring of the laser medium. It is a combination of the emitted light, and therefore the wavefront inevitably becomes distorted.

【0015】図19はかかる問題点を説明するための模
式図であり、この図はワキシコンミラー42でのビーム
の伝搬の様子を拡大して示したものである。
FIG. 19 is a schematic diagram for explaining such a problem, and this diagram is an enlarged view of how the beam propagates through the waxicon mirror 42.

【0016】図19において、円筒型導波路の上端(導
波路端)24と下端(導波路端)25から発した光の波
面は、ホイヘンスの原理から導波路端の全ての点からの
光の波面の足し合わせになる。ここでは円筒の半径に比
較して導波路の幅が十分小さいと考えて、導波路中央か
らの光の波面を代表させて考える。それぞれの光はワキ
シコンミラー42で2回反射し、入射方向と反対側に折
り返されるが、これらは導波路端24,25をそれぞれ
ワキシコンミラー42で折り返した導波路端24,25
の虚像26,27から発した光と同等である。つまり、
円環形状の導波路端24,25から発せられ、ワキシコ
ンミラー42で反射された光は、虚像26,27のよう
な円形の光源から発した光と考えることができる。
In FIG. 19, the wavefronts of light emitted from the upper end (waveguide end) 24 and the lower end (waveguide end) 25 of the cylindrical waveguide are the light from all points on the waveguide end according to Huygens' principle. It will add up the wavefront. Here, the width of the waveguide is considered to be sufficiently smaller than the radius of the cylinder, and the wavefront of the light from the center of the waveguide is considered as a representative. Each light is reflected twice by the wax concentrator mirror 42 and is reflected back to the side opposite to the incident direction. These are waveguide ends 24, 25 in which the waveguide ends 24, 25 are respectively folded by the wax concentrator 42.
Is equivalent to the light emitted from the virtual images 26 and 27. That is,
The light emitted from the annular waveguide ends 24 and 25 and reflected by the wax conical mirror 42 can be considered as light emitted from circular light sources such as the virtual images 26 and 27.

【0017】ここで、このような光源から発せられた光
の波面の伝搬を考えると、虚像26から発したものは球
面波43の様に、虚像27から発したものは球面波44
の様に伝搬すると考えられる。これらの光を足し合わす
と、図19のように波面は異なる2点からの球面波4
3,44の足し合わせとなり、出力波の波面が歪んでし
まうことがわかる。
Considering the propagation of the wavefront of the light emitted from such a light source, the one emitted from the virtual image 26 is a spherical wave 43, and the one emitted from the virtual image 27 is a spherical wave 44.
It is thought that it propagates like. When these lights are added together, spherical waves 4 from two points with different wavefronts as shown in FIG.
It can be seen that the sum of 3,44 is added and the wavefront of the output wave is distorted.

【0018】このように、直円錐側面の組合せで構成さ
れたワキシコンミラー42を使う限り、ビーム品質の向
上にはどうしても限界があり、十分な集光性能を実現で
きないなどの問題点があった。
As described above, as long as the wax conical mirror 42 constituted by the combination of right and left conical side surfaces is used, there is a limit to the improvement of the beam quality, and there is a problem that sufficient condensing performance cannot be realized. .

【0019】環円筒形状のレーザ媒質から円形の高品質
ビームを取り出す試みはいろいろなされているが、上記
の例の他、波面の正確な設計を含めた抜本的な解決方法
は未だ提案されていないのが現状である。
Various attempts have been made to extract a circular high-quality beam from a ring-cylindrical laser medium, but in addition to the above example, a drastic solution method including accurate design of the wavefront has not been proposed yet. is the current situation.

【0020】この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、カセグレン型のミラー構成を有
しており、レーザ光の出射ビームの波面、即ち位相分布
を均一することが可能なレーザ共振器を得ることを目的
とする。
The present invention has been made in order to solve the above problems, and has a Cassegrain type mirror structure, which makes it possible to make uniform the wavefront of the emitted beam of laser light, that is, the phase distribution. The objective is to obtain a simple laser resonator.

【0021】また、この発明は、発振する横モードを共
振器損失の差によって選択することができるレーザ共振
器を得ることを目的とする。
Another object of the present invention is to obtain a laser resonator capable of selecting an oscillating transverse mode by a difference in resonator loss.

【0022】また、この発明は、環円筒形状のレーザ媒
質がレーザビームの導波路となっているレーザ装置であ
って、導波路損失が最小で、対称性,安定性に優れたビ
ームを提供できるレーザ装置を得ることを目的とする。
Further, the present invention is a laser device in which a ring-cylindrical laser medium serves as a waveguide for a laser beam, and it is possible to provide a beam with minimum waveguide loss and excellent symmetry and stability. The purpose is to obtain a laser device.

【0023】また、この発明は、環円筒形状のレーザ媒
質がレーザビームの導波路となっているレーザ装置であ
って、レーザ光の出射ビームの位相分布を均一すること
ができる上に、導波路の中心に対称なビームはその形状
を変えずに出射することができるレーザ装置を得ること
を目的とする。
Further, the present invention is a laser device in which a ring-cylindrical laser medium serves as a waveguide for a laser beam, and the phase distribution of an outgoing beam of laser light can be made uniform, and the waveguide is provided. It is an object of the present invention to obtain a laser device which can emit a beam symmetric with respect to the center thereof without changing its shape.

【0024】また、この発明は、レーザ光の出射ビーム
の位相分布を均一することができる上に、レーザビーム
の伝搬を妨げることなくミラーを保持することができる
レーザ装置を得ることを目的とする。
Another object of the present invention is to obtain a laser device which can make the phase distribution of the emitted beam of the laser light uniform and can hold the mirror without hindering the propagation of the laser beam. .

【0025】また、この発明は、レーザ光の出射ビーム
の位相分布を均一することができる上に、大きな出力の
レーザビームを得ることができるレーザ装置を得ること
を目的とする。
Another object of the present invention is to obtain a laser device which can obtain a laser beam having a large output while making the phase distribution of the outgoing beam of the laser beam uniform.

【0026】[0026]

【課題を解決するための手段】請求項1の発明に係るレ
ーザ共振器は、レーザ媒質の他端から所定の距離をなし
て設置され、且つレーザ媒質を通過した光をレーザ媒質
の中心軸付近方向に集光させる第2の全反射ミラーと、
該第2の全反射ミラーによって集められた光を実質的に
平行な光に変換する第3の全反射ミラーとを備えてお
り、第2及び第3の全反射ミラーは、互いに協働して、
レーザ媒質中における環円筒形状部分の光の波面が最も
平面に近くなる、ビームウエストの位置における光の断
面形状である円環の中心の円の虚像を実質的に一点に集
めるような形状及び配置関係を有するものである。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a laser resonator, which is installed at a predetermined distance from the other end of a laser medium, and which allows light passing through the laser medium to be emitted near the central axis of the laser medium. A second total reflection mirror for focusing light in a certain direction,
A third total reflection mirror for converting the light collected by the second total reflection mirror into substantially parallel light, the second and third total reflection mirrors cooperating with each other. ,
The shape and arrangement that substantially collects the virtual image of the circle at the center of the annulus, which is the cross-sectional shape of the light at the position of the beam waist, where the wavefront of the light in the ring-cylindrical portion in the laser medium is closest to the plane. Have a relationship.

【0027】請求項2の発明に係るレーザ共振器の第2
及び第3の全反射ミラーの表面形状がそれぞれ、ミラー
の中心からの距離に関する1次式又は2次式で表される
ものである。
Second aspect of the laser resonator according to the invention of claim 2
And the surface shape of the third total reflection mirror is expressed by a linear expression or a quadratic expression relating to the distance from the center of the mirror.

【0028】請求項3の発明に係るレーザ共振器は、第
3の全反射ミラー上でのビームについて、該ビームの中
心位置からレーザ媒質の中心軸までの距離bと、ビーム
のビーム径ωm との比b/ωm の値が、当該レーザ共振
器の出力ビームの横モードを選択するための指標として
規定されているものである。
In the laser resonator according to the third aspect of the present invention, for the beam on the third total reflection mirror, the distance b from the central position of the beam to the central axis of the laser medium and the beam diameter ω m of the beam. The value of the ratio b / ω m is defined as an index for selecting the transverse mode of the output beam of the laser resonator.

【0029】請求項4の発明に係るレーザ共振器は、円
筒座標系における当該レーザ共振器の出力ビームの角度
方向の次数をnとするとき、第3の全反射ミラー上での
ビームについて、該ビームの中心位置からレーザ媒質の
中心軸までの距離bと、ビームのビーム径ωm との比b
/ωm の値が、0.5n+0.9<b/ωm <0.5n
+1.8の関係を満たしているものである。
In the laser resonator according to the invention of claim 4, when the order of the output beam of the laser resonator in the cylindrical coordinate system in the angular direction is n, with respect to the beam on the third total reflection mirror, Ratio b of the distance b from the central position of the beam to the central axis of the laser medium and the beam diameter ω m of the beam
The value of / ω m is 0.5n + 0.9 <b / ω m <0.5n
The relationship of +1.8 is satisfied.

【0030】請求項5の発明に係るレーザ装置は、環円
筒形状のレーザ媒質を有し、且つ請求項3又は請求項4
に記載されたレーザ共振器を備えており、環円筒形状の
レーザ媒質がレーザビームの導波路となっており、レー
ザ共振器が周方向に偏光したTEM0n * に相当するビー
ムを出力すべく比b/ωm の値が規定されているもので
ある。
A laser device according to a fifth aspect of the present invention includes a laser medium having an annular cylindrical shape, and the third or fourth aspect.
The laser medium described in 1) is used, and the ring-cylindrical laser medium serves as a waveguide of the laser beam, and the laser resonator outputs a beam corresponding to TEM 0n * polarized in the circumferential direction. The value of b / ω m is specified.

【0031】請求項6の発明に係るレーザ装置は、環円
筒形状のレーザ媒質を有しており、請求項1から請求項
4のうちのいずれか1項に記載されたレーザ共振器を備
えており、環円筒形状のレーザ媒質がレーザビームの導
波路となっており、且つ導波路のギャップ長dと導波路
長LとがL=n×d2 /λ(nは任意の整数、λはレー
ザの波長)の関係を満たしているものである。
A laser device according to a sixth aspect of the present invention has a ring-cylindrical laser medium, and is provided with the laser resonator according to any one of the first to fourth aspects. The ring-cylindrical laser medium serves as a waveguide for the laser beam, and the waveguide gap length d and the waveguide length L are L = n × d 2 / λ (n is an arbitrary integer, λ is Laser wavelength) is satisfied.

【0032】請求項7の発明に係るレーザ装置は、環円
筒形状のレーザ媒質を有し、且つ請求項1から請求項4
のうちのいずれか1項に記載されたレーザ共振器を備え
ており、第3の全反射ミラーをレーザ媒質の内部より保
持するように構成したものである。
A laser device according to the invention of claim 7 has a ring-shaped cylindrical laser medium, and claims 1 to 4
The laser resonator according to any one of the above is provided, and the third total reflection mirror is configured to be held from the inside of the laser medium.

【0033】請求項8の発明に係るレーザ装置は、環円
筒形状の気体をレーザ媒質として有し、且つ請求項1か
ら請求項4のうちのいずれか1項に記載されたレーザ共
振器を備えており、環円筒形状の光学空間の軸方向に気
体を流すとともにレーザ共振器の外部に気体を導き再度
光学空間内に気体を戻す循環手段と、循環手段によって
外部に導かれた気体を冷却する冷却手段とをさらに備え
たものである。
A laser device according to the invention of claim 8 has a ring-cylindrical gas as a laser medium, and is provided with the laser resonator described in any one of claims 1 to 4. In this configuration, the gas is allowed to flow in the axial direction of the ring-shaped optical space, the gas is guided to the outside of the laser resonator, and the gas is returned to the optical space again. And a cooling means.

【0034】[0034]

【作用】請求項1の発明におけるレーザ共振器は、環円
筒形状のレーザ媒質から、その軸方向に発せられたレー
ザビームが、例えば円環形状の非球面である第2の全反
射ミラーによってレーザ媒質の中心軸付近に集められ
る。このとき、レーザ媒質中の環円筒形状部分にあるレ
ーザビームのビームウエストの中心の中心円の、第2及
び第3の全反射ミラーによる虚像が、レーザ媒質の中心
軸付近上の一点にほぼ集まるように、第2及び第3の全
反射ミラーは設計されていなければならない。さらに、
中心に集められた光は、例えば非球面である次の第3の
全反射ミラーによって円形状の概略平行な光に変換され
る。概略平行な光に変換されたレーザ光は、部分反射ミ
ラーに入射し、一部はレーザ共振器内に戻され、残りの
一部はレーザ共振器から外部へと出射する。このよう
に、レーザ媒質中の環円筒形状部分にあるレーザビーム
のビームウエストの中心の中心円の虚像が、レーザ媒質
の中心軸付近上の上記一点にほぼ集まるように、第2及
び第3の全反射ミラーは設計されているので、レーザ光
の出射ビームの波面、即ち位相分布を、ある一点から発
した球面波とみなすことができるような、均一なものに
することができる。
In the laser resonator according to the first aspect of the invention, the laser beam emitted in the axial direction from the ring-shaped laser medium is emitted by the second total reflection mirror, which is, for example, a ring-shaped aspherical surface. Collected near the central axis of the medium. At this time, a virtual image of the center circle of the center of the beam waist of the laser beam in the ring-cylindrical portion in the laser medium, which is formed by the second and third total reflection mirrors, almost gathers at a point on the vicinity of the central axis of the laser medium. As such, the second and third total internal reflection mirrors must be designed. further,
The light collected at the center is converted into circular substantially parallel light by the following third total reflection mirror which is, for example, an aspherical surface. The laser light converted into the substantially parallel light is incident on the partial reflection mirror, a part of the laser light is returned to the inside of the laser resonator, and the other part is emitted from the laser resonator to the outside. In this way, the virtual image of the central circle of the center of the beam waist of the laser beam in the ring-cylindrical portion in the laser medium is collected at the above-mentioned one point on the vicinity of the central axis of the laser medium so that the second and third images can be collected. Since the total reflection mirror is designed, the wavefront of the emitted beam of the laser light, that is, the phase distribution can be made uniform so that it can be regarded as a spherical wave emitted from a certain point.

【0035】請求項2の発明におけるレーザ共振器は、
第2及び第3の全反射ミラーの表面形状がそれぞれ、非
球面であってミラーの中心からの距離に関する1次式又
は2次式で表されるように形成される。この形状は請求
項1の共振器を実現する最も簡単で現実的なものであ
り、同様に、レーザ媒質中の環円筒形状部分にあるレー
ザビームのビームウエストの中心の中心円の虚像を、レ
ーザ媒質の中心軸付近上の一点にほぼ集めることがで
き、レーザ光の出射ビームの波面、即ち位相分布を均一
することができる。
The laser resonator according to the invention of claim 2 is
The surface shape of each of the second and third total reflection mirrors is an aspherical surface and is formed as represented by a linear expression or a quadratic expression regarding the distance from the center of the mirror. This shape is the simplest and practical one for realizing the resonator of claim 1, and similarly, a virtual image of the central circle of the center of the beam waist of the laser beam in the ring-cylindrical shape portion in the laser medium Almost all of them can be collected at one point on the vicinity of the central axis of the medium, and the wavefront of the emitted beam of the laser light, that is, the phase distribution can be made uniform.

【0036】請求項3の発明におけるレーザ共振器は、
第3の全反射ミラー上でのビームに対する、該ビームの
中心位置からレーザ媒質の中心軸までの距離bと、ビー
ムのビーム径ωm との比b/ωm の値を用いて設計する
ことによって、当該レーザ共振器の出力ビームの横モー
ドを共振器損失の差によって選択することができる。
The laser resonator according to the invention of claim 3 is
Design using the ratio b / ω m of the beam diameter ω m of the beam and the distance b from the central position of the beam to the central axis of the laser medium for the beam on the third total reflection mirror. Allows the transverse mode of the output beam of the laser cavity to be selected by the difference in cavity loss.

【0037】請求項4の発明におけるレーザ共振器は、
同様に、比b/ωm の値をモードの次数nに対して、
0.5n+0.9<b/ωm <0.5n+1.8と規定
することにより、発振する横モードを共振器損失の差に
よって選択する。
The laser resonator according to the invention of claim 4 is
Similarly, the value of the ratio b / ω m is set to the order n of the mode,
By defining 0.5n + 0.9 <b / ω m <0.5n + 1.8, the transverse mode to oscillate is selected according to the difference in resonator loss.

【0038】請求項5の発明におけるレーザ装置は、レ
ーザ共振器が周方向に偏光したTEM0n * に相当するビ
ームを出力すべく比b/ωm の値が規定されているの
で、導波路中の偏光も全ての場所において導波路壁に平
行になり、導波路損失が最小であり、対称性や安定性に
優れたビームが得られる。
In the laser device according to the invention of claim 5, the value of the ratio b / ω m is defined so that the laser resonator outputs a beam corresponding to TEM 0n * polarized in the circumferential direction. The polarized light of is also parallel to the waveguide wall at all locations, the waveguide loss is minimum, and a beam with excellent symmetry and stability is obtained.

【0039】請求項6の発明におけるレーザ装置は、導
波路のギャップ長dと導波路長LとがL=n×d2 /λ
の関係を満たしているので、導波路の中心に対称なビー
ムはその形伏を変えずに出射する。
In the laser apparatus according to the sixth aspect of the invention, the waveguide gap length d and the waveguide length L are L = n × d 2 / λ.
Since the relationship of is satisfied, the beam symmetrical with respect to the center of the waveguide is emitted without changing its profile.

【0040】請求項7の発明におけるレーザ装置は、環
円筒形状のレーザ媒質と出力ビームを同軸にする上で、
第3の全反射ミラーをビームの伝搬を妨げることなく保
持するために有効である。
In the laser apparatus according to the invention of claim 7, the ring-shaped cylindrical laser medium and the output beam are coaxial with each other.
It is effective for holding the third total reflection mirror without hindering the propagation of the beam.

【0041】請求項8の発明におけるレーザ装置の循環
手段は、光学空間内に封入された気体に流れを生起し
て、気体を循環させる。循環手段によって循環される気
体は冷却手段に到達するとそこで冷却され、再び光学空
間内へと導かれる。従って、このような構成を有したレ
ーザ装置では、円筒形の電極等から熱伝導によってレー
ザ媒体である気体を冷却する必要がないため、レーザ媒
質の大きさを規定する円筒のギャップ長を大きくするこ
とが可能となり、より大きな出力のレーザビームを得る
ことができる。
The circulating means of the laser device in the eighth aspect of the invention causes a flow in the gas enclosed in the optical space to circulate the gas. When the gas circulated by the circulation means reaches the cooling means, it is cooled there, and is guided again into the optical space. Therefore, in the laser device having such a configuration, it is not necessary to cool the gas that is the laser medium by heat conduction from the cylindrical electrode or the like, so that the gap length of the cylinder that defines the size of the laser medium is increased. It is possible to obtain a laser beam with a larger output.

【0042】[0042]

【実施例】【Example】

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はこの発明の一実施例によるレーザ共振器の
構成を概略的に示す構成図であり、図において、1は環
円筒形状のレーザ媒質、2はレーザ媒質1の一端に設け
られた全反射ミラー(第1の全反射ミラー)、3はレー
ザ媒質1の他端に設けられており、環円筒形状のレーザ
媒質1から放出されたレーザ光をレーザ媒質1の中心軸
付近に集める全反射ミラー(第2の全反射ミラー)、4
は全反射ミラー3から反射されたレーザ光を円形状の概
略平行な光に変換する全反射ミラー(第3の全反射ミラ
ー)、5は全反射ミラー2,3,4によって形成された
円形ビームの一部を反射し残りの一部を透過してレーザ
光を放出する部分反射ミラーである。
Example 1. An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing a configuration of a laser resonator according to an embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a ring-cylindrical laser medium, and 2 is total reflection provided at one end of the laser medium 1. Mirrors (first total reflection mirrors) 3 are provided at the other end of the laser medium 1, and collect the laser light emitted from the ring-shaped laser medium 1 near the central axis of the laser medium 1. (Second total reflection mirror), 4
Is a total reflection mirror (third total reflection mirror) for converting the laser light reflected from the total reflection mirror 3 into circular substantially parallel light, and 5 is a circular beam formed by the total reflection mirrors 2, 3 and 4. Is a partial reflection mirror that emits laser light by reflecting a part of the light and transmitting the remaining part.

【0043】全反射ミラー3は、円環形状の非球面ミラ
ーであり、その中心部には貫通孔が形成されている。全
反射ミラー4は、全反射ミラー3と協働して全反射ミラ
ー3によって集光された光を円形状の実質的に平行な光
に変換する非球面ミラーである。この実施例によるレー
ザ共振器は、全反射ミラー3及び4と、全反射ミラー2
と、部分反射ミラー5とから構成されている。円環形状
の全反射ミラー3と、全反射ミラー4との組合せは、天
体望遠ミラーの凹面ミラー等で用いられているカセグレ
ン型のミラー構成を応用したものである。
The total reflection mirror 3 is an annular aspherical mirror, and a through hole is formed in the center thereof. The total reflection mirror 4 is an aspherical mirror that cooperates with the total reflection mirror 3 to convert the light collected by the total reflection mirror 3 into circular substantially parallel light. The laser resonator according to this embodiment includes a total reflection mirror 3 and 4 and a total reflection mirror 2.
And a partial reflection mirror 5. The combination of the ring-shaped total reflection mirror 3 and the total reflection mirror 4 is an application of the Cassegrain type mirror structure used in the concave mirror of the astronomical telescope.

【0044】次に動作について説明する。環円筒形状の
レーザ媒質1から、その軸方向に発せられたレーザビー
ムは、円環形状の非球面の全反射ミラー3によってレー
ザ媒質1の中心軸付近に集められる。このとき、レーザ
媒質1中の環円筒形状部分にあるレーザビームのビーム
ウエストの中心の中心円の、全反射ミラー3及び4によ
る虚像が、レーザ媒質1の中心軸付近上の一点にほぼ集
まるように、全反射ミラー3及び4は設計されていなけ
ればならない。
Next, the operation will be described. A laser beam emitted from the ring-shaped cylindrical laser medium 1 in its axial direction is collected near the central axis of the laser medium 1 by a ring-shaped aspherical total reflection mirror 3. At this time, the virtual image of the center circle of the center of the beam waist of the laser beam in the ring-cylindrical portion of the laser medium 1 by the total reflection mirrors 3 and 4 is almost gathered at one point on the vicinity of the central axis of the laser medium 1. In addition, the total reflection mirrors 3 and 4 must be designed.

【0045】図2はビームウエストとビームウエストの
中心円を模式的に示す斜視図であり、図において、50
はビームウエスト、51は中心円である。この図から明
らかなように、環円筒形状のレーザ媒質1中における光
ビームのビームウエスト50とは、ビームのくびれてい
る部分であり、環円筒形状の光ビームの波面が最も平面
に近くなるような位置のことを言い、円筒部分のビーム
ウエスト50の中心の中心円51とは、円筒部分のビー
ムウエスト50の位置での光ビームの断面形状である円
環の幅の中心が作る円、つまり半径方向で考えたときの
ビームの径の中心が作る円のことを言う。
FIG. 2 is a perspective view schematically showing the beam waist and the central circle of the beam waist. In FIG.
Is a beam waist, and 51 is a central circle. As is apparent from this figure, the beam waist 50 of the light beam in the ring-shaped laser medium 1 is the constricted portion of the beam, and the wave front of the ring-shaped light beam is closest to the plane. The central circle 51 of the center of the beam waist 50 of the cylindrical portion is a circle formed by the center of the width of the ring which is the sectional shape of the light beam at the position of the beam waist 50 of the cylindrical portion, that is, A circle formed by the center of the beam diameter when considered in the radial direction.

【0046】さらに、中心に集められた光は、その概略
集められた点よりも全反射ミラー3寄りに設置された次
の非球面の全反射ミラー4によって円形状の概略平行な
光に変換される。概略平行な光に変換されたレーザ光
は、円環形状の全反射ミラー3の中心部の貫通孔を通過
して部分反射ミラー5に入射し、一部はレーザ共振器内
に戻され、残りの一部はレーザ共振器から外部へと出射
する。
Further, the light collected at the center is converted into circular substantially parallel light by the next aspherical total reflection mirror 4 installed closer to the total reflection mirror 3 than the roughly collected points. It The laser light converted into substantially parallel light passes through the through hole in the center of the annular total reflection mirror 3 and is incident on the partial reflection mirror 5, and a part of the laser light is returned to the inside of the laser resonator and the rest. Part of the light is emitted from the laser resonator to the outside.

【0047】この実施例によるレーザ共振器の利点は、
このミラー構成だけでなく、ミラーの曲率など表面形状
を詳細に設計することによって、高品質な円形高集束ビ
ームを取り出せる点にある。さらに、所望する様々な横
モードや偏光モードのビームを取り出すようにミラーを
設計することができる。
The advantage of the laser resonator according to this embodiment is that
Not only this mirror structure, but also the surface shape such as the curvature of the mirror is designed in detail, so that a high quality circular highly focused beam can be taken out. In addition, the mirrors can be designed to extract various desired transverse and polarization modes of the beam.

【0048】次にこの実施例によるレーザ共振器のミラ
ーの設計方法について説明する。図3はこの実施例によ
るレーザ共振器の主要部の構成を示す構成図であり、図
において、24,25はそれぞれレーザ媒質である円筒
型導波路の上端および下端であり、かつ全反射ミラー3
で折り返した導波路端である。26は導波路端24の虚
像、27は導波路端25の虚像である。
Next, a method of designing the mirror of the laser resonator according to this embodiment will be described. FIG. 3 is a configuration diagram showing a configuration of a main part of a laser resonator according to this embodiment. In the figure, reference numerals 24 and 25 respectively denote an upper end and a lower end of a cylindrical waveguide which is a laser medium, and a total reflection mirror 3.
It is the end of the waveguide folded back at. 26 is a virtual image of the waveguide end 24, and 27 is a virtual image of the waveguide end 25.

【0049】先に述べたワキシコンミラーを用いた従来
のレーザ共振器の場合、ワキシコンミラー出力時の波面
が多点から発した球面波の足し合わせになって歪むこと
が問題となっていた。この問題を解決するためには、多
点から発した球面波の中心が実質的に一致していればよ
い。
In the case of the conventional laser resonator using the above-mentioned waxicon mirror, there has been a problem that the wavefront at the time of outputting the waxicon mirror is distorted due to the addition of spherical waves generated from multiple points. . In order to solve this problem, it is sufficient that the centers of spherical waves emitted from multiple points are substantially coincident with each other.

【0050】導波路端24,25は、導波路伝搬中にビ
ームが変化しないと仮定すると、平面ミラーと近似する
ことができる。この平面ミラーで近似された導波路端は
レーザ共振器の一方の端となっているので、ビームはこ
の導波路端24,25面上でビームウエストを持つこと
になる。一般に、ビームウエストを経て拡散していくビ
ームは、ビームウエストから十分離れた点から見ると、
ビームウエストの中心から発した球面波と見なすことが
できる。つまり、ビームウエストの中心の位置が球面波
の中心と考えてよい。導波路端の各点から発した光を球
面波とみなし、その中心を実質的に一致させるために
は、導波路端の中心の虚像を一致させればよい。
The waveguide ends 24, 25 can be approximated as plane mirrors, assuming the beam does not change during waveguide propagation. Since the end of the waveguide approximated by the plane mirror is one end of the laser resonator, the beam has a beam waist on the faces 24 and 25 of the end of the waveguide. In general, the beam that spreads through the beam waist is sufficiently far from the beam waist,
It can be regarded as a spherical wave emitted from the center of the beam waist. That is, the position of the center of the beam waist may be considered as the center of the spherical wave. The light emitted from each point at the end of the waveguide is regarded as a spherical wave, and in order to make the centers thereof substantially coincide, the virtual images at the centers of the waveguide ends may be made coincident.

【0051】この実施例によるレーザ共振器のミラーの
設計の最も重要な点は、導波路端から発した光が見かけ
上一点から発したように見えるように、光学系を設計す
ることである。
The most important point in the design of the mirror of the laser resonator according to this embodiment is to design the optical system so that the light emitted from the end of the waveguide seems to be emitted from one point.

【0052】全反射ミラー3及び4は、一般には非球面
全反射ミラーであるが、ここでは設計の第1段階とし
て、表面が円錐面の一部であるような全反射ミラーを考
える。この場合、導波路端24,25から発せられ、全
反射ミラー3及び4で反射された光は、実効的に導波路
端上部の虚像26及び導波路端下部の虚像27から発せ
られた光と考えることができる。このとき、全反射ミラ
ー3及び4の角度を調整することによって、虚像26及
び27の端面の中心を一致させることができる。このよ
うに設計された場合、円環形状の導波路端から発せられ
た光は実効的にある一点から発せられたのと同等に扱う
ことができる。即ち、その波面は正確に球面波と考えら
れる。この後、設計の第2段階として、全反射ミラー
4、又は全反射ミラー3及び部分反射ミラー5に適当な
曲率を付けることによって、安定型の共振器を構成する
ことができる。
The total reflection mirrors 3 and 4 are generally aspherical total reflection mirrors, but here, as the first stage of design, consider a total reflection mirror whose surface is a part of a conical surface. In this case, the light emitted from the waveguide ends 24 and 25 and reflected by the total reflection mirrors 3 and 4 is effectively combined with the light emitted from the virtual image 26 above the waveguide end and the virtual image 27 below the waveguide end. I can think. At this time, the centers of the end faces of the virtual images 26 and 27 can be matched by adjusting the angles of the total reflection mirrors 3 and 4. When designed in this way, the light emitted from the end of the annular waveguide can be effectively treated as if emitted from a certain point. That is, the wavefront is considered to be exactly a spherical wave. After that, as a second stage of designing, a stable resonator can be configured by providing the total reflection mirror 4 or the total reflection mirror 3 and the partial reflection mirror 5 with an appropriate curvature.

【0053】通常、円環形状のレーザ媒質と共振器を構
成するミラーとを同軸上に配置するので、それぞれのミ
ラー、特に一般に非球面である全反射ミラー3及び4の
表面形状は軸対称である。さらに、上述のように、その
形状は、円錐面の一部を基本とし、それに所定の曲率を
与えたようなものになる。従って、全反射ミラー3及び
4の表面形状は、その中心からの距離rの1次式又は2
次式で与えられる曲線で与えられる。ただし、綿密な設
計を行った場合、rの範囲によって表面形状の表式が変
化するようなミラーが必要になることがあり得る。
Usually, since the annular laser medium and the mirror forming the resonator are arranged coaxially, the surface shapes of the respective mirrors, especially the total reflection mirrors 3 and 4 which are generally aspherical surfaces, are axisymmetric. is there. Further, as described above, the shape is based on a part of the conical surface and has a predetermined curvature. Therefore, the surface shape of the total reflection mirrors 3 and 4 is a linear expression of the distance r from the center or 2
It is given by the curve given by However, when careful design is performed, a mirror whose surface shape expression changes depending on the range of r may be required.

【0054】実際のレーザ共振器ではいろいろなミラー
の組合せや構造が考えられる。例えば、環円筒形状のレ
ーザ媒質の部分が導波路でない場合は、エンドミラーで
ある全反射ミラー2が平面ミラーである場合や曲率のつ
いている場合などが考えられる。いずれにせよ、図2に
示したように、レーザビームは全反射ミラー3以遠の円
環形状のビーム部分のどこかビームウエスト50を持つ
ので、そのビームウエスト50の中心円51の、全反射
ミラー3,4による虚像が一点に一致するように設計す
ればよい。そうすることにより上記のように、ビームウ
エスト50から十分離れた点、例えば部分反射ミラー5
上に於いて、あたかも一点から発した球面波としてレー
ザビームを取り扱うことができる。
Various mirror combinations and structures are conceivable in an actual laser resonator. For example, when the portion of the ring-shaped cylindrical laser medium is not a waveguide, there may be a case where the total reflection mirror 2 which is an end mirror is a plane mirror or a case where it has a curvature. In any case, as shown in FIG. 2, since the laser beam has the beam waist 50 somewhere in the annular beam portion farther than the total reflection mirror 3, the total reflection mirror of the central circle 51 of the beam waist 50 is shown. It may be designed so that the virtual images of 3 and 4 coincide with one point. By doing so, as described above, a point sufficiently separated from the beam waist 50, for example, the partial reflection mirror 5
In the above, the laser beam can be treated as if it were a spherical wave emitted from a single point.

【0055】次に、特にレーザ媒質の円環形状部分がレ
ーザの導波路として働いている場合、このような円環形
状のレーザ媒質を用いる際に、出力ビームの横モードを
選択し、特に周方向に偏光したリング形状の偏光モード
になるような、つまりTEM01 * モードに近い横モード
を出力することの重要性について説明する。
Next, especially when the ring-shaped portion of the laser medium acts as the waveguide of the laser, when using such a ring-shaped laser medium, the transverse mode of the output beam is selected, and especially the circular mode is selected. The importance of outputting a transverse mode that is a ring-shaped polarization mode polarized in the direction, that is, close to the TEM 01 * mode will be described.

【0056】導波路壁でビームが反射する際、s偏光と
p偏光では反射率が異なる。平行平板導波路の導波路損
失は、p偏光、即ち導波路壁にたいして垂直な偏光は損
失が大きく、s偏光、即ち導波路壁に平行な偏光の損失
が少なくなる。その結果、円筒型導波路においては、半
径方向の偏光がより多くの損失を受け、周方向の偏光が
選択され易くなる。
When the beam is reflected by the waveguide wall, the reflectance is different between s-polarized light and p-polarized light. The waveguide loss of the parallel-plate waveguide is large for p-polarized light, that is, polarized light perpendicular to the waveguide wall, and small for s-polarized light, that is, polarized light parallel to the waveguide wall. As a result, in the cylindrical waveguide, the polarized light in the radial direction suffers more loss, and the polarized light in the circumferential direction is easily selected.

【0057】その結果、この実施例によるレーザ共振器
を組んで、ガウシアンビームに近いビームを出そうとし
たときに、0次モードを出そうとすると、どうしても導
波路部分での偏光選択性に逆らうことになるので、リン
グモード、例えばTEM01 *モードに近いモードが出し
やすくなることが想像される。
As a result, when the laser resonator according to this embodiment is assembled and a beam close to a Gaussian beam is to be emitted, if the 0th-order mode is to be emitted, the polarization selectivity in the waveguide portion is inevitable. Therefore, it is conceivable that a ring mode, for example, a mode close to the TEM 01 * mode can be easily produced.

【0058】図4は横モードと偏光の関係を示したもの
である。図4(a)は0次ガウシアンビーム28を出す
ようにした場合であるが、この時、導波路中では偏光
が、あるところでは導波路壁に垂直に、あるところでは
導波路壁に平行になっていることがわかる。このような
偏光の状態で導波路を伝搬させることは、導波路損失が
大きくなり、対称性や安定性が悪くなる。
FIG. 4 shows the relationship between the transverse mode and the polarized light. FIG. 4 (a) shows a case where the 0th-order Gaussian beam 28 is emitted. At this time, polarized light in the waveguide is perpendicular to the waveguide wall at some places and parallel to the waveguide wall at some places. You can see that it has become. Propagating the waveguide in such a polarized state results in a large waveguide loss, resulting in poor symmetry and stability.

【0059】これに対し、図4(b)は周方向に偏光し
たTEM01 * モードに相当するビーム29を出すように
した場合である。この場合は偏光は周方向なので、導波
路中の偏光も全ての場所において導波路壁に平行にな
り、導波路損失が最小で、対称性や安定性に優れたビー
ムが得られる。
On the other hand, FIG. 4B shows a case where the beam 29 corresponding to the TEM 01 * mode which is polarized in the circumferential direction is emitted. In this case, since the polarized light is in the circumferential direction, the polarized light in the waveguide is also parallel to the waveguide wall at all locations, and a beam with minimal waveguide loss and excellent symmetry and stability can be obtained.

【0060】次に如何にして横モードの選択を行うかに
ついて述べる。通常のCO2 レーザは、2枚の凹面ミラ
ーで構成されるファブリーペロー型共振器とアパーチャ
とにより構成される。モードは凹面ミラーの曲率とアパ
ーチャの大きさによって選択される。このとき、モード
の選択は、単にアパーチャを含む共振器の損失の差によ
って決定されるのではなく、共振器損失とモード間のゲ
インの競合によって決定される。例えば、それぞれの横
モードの共振器損失の値を計算すると、どのような共振
器の構成でも、低次モードの方が高次モードより損失が
少ない。にもかかわらず、高次の単一モード発振が可能
なのは、ゲインの競合があるからである。しかし、この
発明によるレーザ共振器はゲインのある部分が導波路の
部分なので、ゲインの競合によってモードが選択される
ことは期待できない。
Next, how to select the lateral mode will be described. A normal CO 2 laser is composed of a Fabry-Perot resonator composed of two concave mirrors and an aperture. The mode is selected by the curvature of the concave mirror and the size of the aperture. At this time, the selection of the mode is determined not only by the difference in the loss of the resonator including the aperture but also by the competition of the gain between the resonator loss and the mode. For example, when the value of the resonator loss of each transverse mode is calculated, the loss of the low-order mode is smaller than that of the higher-order mode in any resonator configuration. Nevertheless, higher-order single-mode oscillation is possible because of gain competition. However, in the laser resonator according to the present invention, since the portion having the gain is the portion of the waveguide, it cannot be expected that the mode is selected by the competition of the gain.

【0061】この実施例によるレーザ共振器は、発振す
る横モードを共振器損失の差によって選択することがで
きるという顕著な特徴を持っている。次に、特定のモー
ドを選択するように共振器、ミラー形状を設計する方法
について述べる。
The laser resonator according to this embodiment has a remarkable feature that the transverse mode to be oscillated can be selected by the difference in resonator loss. Next, a method of designing the resonator and mirror shapes so as to select a specific mode will be described.

【0062】図3において、導波路端から発したビーム
は、非球面の全反射ミラー3で反射され、非球面の全反
射ミラー4に到達するが、そのとき、全反射ミラー4上
でのビームの中心とレーザ媒質の中心軸との距離をbと
する。さらに、図3において、上側の導波路端面24と
部分反射ミラー5とは、全反射ミラー4を実効的に凸レ
ンズとみなせば、前述のように安定型の共振器を構成す
るが、実際の発振モードも、この安定型共振器によって
形成されるモードの足し合わせであると考えて、近似的
には差しつかえない。この時、全反射ミラー4の位置で
のビーム径は全反射ミラー4や導波路間の距離と全反射
ミラー4等に与えられた曲率で一意的に決定される。こ
のビーム径をωm とする。
In FIG. 3, the beam emitted from the end of the waveguide is reflected by the aspherical total reflection mirror 3 and reaches the aspherical total reflection mirror 4. At that time, the beam on the total reflection mirror 4 is reflected. Let b be the distance between the center of the laser beam and the center axis of the laser medium. Further, in FIG. 3, the upper waveguide end face 24 and the partial reflection mirror 5 constitute a stable resonator as described above if the total reflection mirror 4 is effectively regarded as a convex lens, but the actual oscillation is generated. The mode is considered to be the addition of the modes formed by this stable resonator, and therefore, it cannot be approximated. At this time, the beam diameter at the position of the total reflection mirror 4 is uniquely determined by the distance between the total reflection mirror 4 and the waveguide and the curvature given to the total reflection mirror 4 and the like. Let this beam diameter be ω m .

【0063】この実施例のレーザ共振器の設計におい
て、全反射ミラー4上でのビームの中心と中心軸の距離
bとビーム径ωm との比が、取り出すビームの横モード
を決定する重要なパラメータになっていることがわかっ
ている。
In the design of the laser resonator of this embodiment, the ratio between the beam diameter ω m and the distance b between the center of the beam and the central axis on the total reflection mirror 4 is important for determining the transverse mode of the beam to be extracted. I know it's a parameter.

【0064】図5はある特定の条件の下で、このbとω
m の比を可変なパラメータとして変化させたときの0
次,1次,2次モードの共振器損失の値を示している
(ここで、ωm は強度が1/e2 になるような半径)グ
ラフ図である。bとωm の比は共振器の構成やミラー形
状によって変化するが、全反射ミラー3の円錐の傾きを
変化させてbの値を変化させるのが最も理解しやすい。
FIG. 5 shows that b and ω under certain conditions.
0 when changing the ratio of m as a variable parameter
It is a graph showing the values of the resonator loss of the second, first, and second modes (where ω m is the radius such that the intensity becomes 1 / e 2 ). The ratio of b to ω m changes depending on the configuration of the resonator and the mirror shape, but it is easiest to understand that the value of b is changed by changing the inclination of the cone of the total reflection mirror 3.

【0065】図5から明らかなように、b/ωm =1.
65以下の範囲30では0次が、b/ωm =1.65〜
2.1の範囲31では1次が、b/ωm =2.1以上の
範囲32では2次が、共振器損失最低のモードになるこ
とがわかる。このパラメータb/ωm を変化させること
によって、各横モードの共振器ロスを変化させることに
より発振する横モードを選択することができることがわ
かる。
As is apparent from FIG. 5, b / ω m = 1.
In the range 30 of 65 or less, the 0th order is b / ω m = 1.65 to
It can be seen that the first-order mode is in the range 31 of 2.1 and the second-order mode is in the range 32 where b / ω m = 2.1 or more is the lowest resonator loss mode. It can be seen that the transverse mode to be oscillated can be selected by changing the resonator loss of each transverse mode by changing the parameter b / ω m .

【0066】以下、横モードの選択方法について述べ
る。まず、b/ωm =1.65以下(図5の領域30)
では、0次モードが選択される。この場合、上述のよう
に円環形状媒質を通過する際の偏光依存性の為に不都合
が生じる可能性があるが、円環形状媒質が導波路として
働かない場合など偏光依存性の無い場合、あるいは偏光
依存性の無視できる場合は、0次モードが最も集光性の
良い高品質なビームを与える。
The horizontal mode selection method will be described below. First, b / ω m = 1.65 or less (region 30 in FIG. 5)
Then, the 0th-order mode is selected. In this case, inconvenience may occur due to the polarization dependence when passing through the annular medium as described above, but when the annular medium does not function as a waveguide, there is no polarization dependency, Alternatively, when the polarization dependence can be ignored, the 0th-order mode gives a high-quality beam with the best focusing property.

【0067】次に、b/ωm =1.65〜2.1(図5
の領域31)では1次モードが選択される。円環形状媒
質が強い偏光依存性を持つ場合は、図4(b)にも示し
たように、周方向に偏光したTEM01 * に相当するよう
なモードのビームの発生がもっとも良いと考えられる。
Next, b / ω m = 1.65 to 2.1 (see FIG.
In the area 31) of 1), the primary mode is selected. When the annular medium has a strong polarization dependency, it is considered that the generation of a beam of a mode corresponding to TEM 01 * polarized in the circumferential direction is the best, as shown in FIG. 4B. .

【0068】また、b/ωm =2.1以上(図5の領域
32)では2次あるいはそれ以上の次数のモードが発生
するが、表面改質など広い範囲を均一に照射するような
用途ではこのような横モードの発生が必要になる。
Further, when b / ω m = 2.1 or more (region 32 in FIG. 5), a second or higher order mode is generated, but it is used for uniform irradiation in a wide range such as surface modification. Then, it is necessary to generate such a transverse mode.

【0069】以上の反射ミラー4上でのビームの中心と
中心軸の距離bとビーム径ωm との比b/ωm の値に依
存した横モード選択についての議論は、ある条件の下に
計算した図5をもとに導かれたものである。従って、別
の条件、即ち、媒質形状や共振器構成の異なった系に対
して計算を行うと、図5に示す特性曲線は多少変化して
異なったものとなる。しかし、b/ωm をパラメータと
した場合、どのような条件下においても、ほぼ図5に等
しい結果が得られることが経験上わかっている。図5に
示した3本の曲線の交点は条件により多少変化するが、
n次モードを発生する際には、b/ωm が経験的には、
以下に示す不等式を満足しなければならないことが経験
的に明らかになっている。
The above discussion regarding the transverse mode selection depending on the value of the ratio b / ω m of the distance b between the center of the beam and the central axis on the reflecting mirror 4 and the beam diameter ω m is based on a certain condition. It is derived based on the calculated FIG. Therefore, when the calculation is performed for another condition, that is, for a system having a different medium shape and a different resonator configuration, the characteristic curve shown in FIG. 5 changes slightly and becomes different. However, it is empirically known that when b / ω m is used as a parameter, a result almost equal to that shown in FIG. 5 is obtained under any condition. The intersection of the three curves shown in FIG. 5 may change slightly depending on the conditions,
When generating the nth mode, empirically, b / ω m is
Experience has shown that the following inequalities must be satisfied.

【0070】 0.5n+0.9<b/ωm <0.5n+1.8 即ち、b/ωm が0.5n+0.9より小さい領域では
共振器損失が大きく、そのモードを選択するには不適当
であり、b/ωm が0.5n+1.8よりも大きいと
き、共振器損失は極小値を通り過ぎて増加し、同時にも
う一つ高次のモードの損失が十分小さくなってくるの
で、同様に、モード選択ができなくなる。
0.5n + 0.9 <b / ω m <0.5n + 1.8 That is, the resonator loss is large in the region where b / ω m is smaller than 0.5n + 0.9, and it is not suitable for selecting that mode. When b / ω m is larger than 0.5n + 1.8, the resonator loss increases past the minimum value, and at the same time, the loss of another higher-order mode becomes sufficiently small. , You cannot select the mode.

【0071】このようにして、出力ビームの横モードを
全反射ミラー4上でのビームの中心と中心軸の距離bと
ビーム径ωm との比b/ωm の値に応じて選択できる。
In this way, the transverse mode of the output beam can be selected according to the value of the ratio b / ω m of the distance b between the center of the beam and the central axis on the total reflection mirror 4 and the beam diameter ω m .

【0072】実施例2.図6はこの発明の他の実施例に
よるレーザ共振器の構成を示す構成図であり、図におい
て、図3に示した参照符号と同一の符号は同一又は相当
する構成要素を示している。
Example 2. FIG. 6 is a configuration diagram showing a configuration of a laser resonator according to another embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those shown in FIG. 3 denote the same or corresponding components.

【0073】上記実施例1によるレーザ共振器において
説明したように、出力ビームの横モードは、全反射ミラ
ー4上でのビームの中心と中心軸の距離bとビーム径ω
m との比b/ωm 値によって選択できる。また、このb
/ωm の値は、共振器の構造が大体決まっている場合
は、全反射ミラー3の円錐の傾きを調整して、bの値を
変化させるのことによって、変化させることができる。
これに対して、この実施例によるレーザ共振器は、共振
器長を変化させることによりωm の値を変化させ、出力
ビームの横モードの選択を実行するように構成されてい
る。
As described in the laser resonator according to the first embodiment, the transverse mode of the output beam is such that the distance b between the center of the beam on the total reflection mirror 4 and the central axis and the beam diameter ω.
It can be selected according to the ratio b / ω m value to m . Also, this b
The value of / ω m can be changed by adjusting the inclination of the cone of the total reflection mirror 3 and changing the value of b when the structure of the resonator is roughly fixed.
On the other hand, the laser resonator according to this embodiment is configured to change the value of ω m by changing the resonator length and execute the transverse mode selection of the output beam.

【0074】次に動作について説明する。ωm の値は全
反射ミラー4に付けられた曲率と、共振器長によって決
定される。従って、図6に示すように、部分反射ミラー
5に設けられた光軸方向である図中の矢印Aで示したz
方向へミラーを並進移動させるz方向ステージ(図示せ
ず)等を用いて、取りだし鏡である部分反射ミラー5の
位置を変化させれば、共振器長を変化させることにな
り、ωm の値を変化させることができる。
Next, the operation will be described. The value of ω m is determined by the curvature attached to the total reflection mirror 4 and the resonator length. Therefore, as shown in FIG. 6, z indicated by the arrow A in the figure, which is the optical axis direction provided on the partial reflection mirror 5.
If the position of the partial reflection mirror 5 that is a take-out mirror is changed by using a z-direction stage (not shown) that translates the mirror in the direction, the resonator length is changed, and the value of ω m is changed. Can be changed.

【0075】このようなレーザ共振器が有効であるの
は、非球面全反射ミラー3及び4の表面形状を変化させ
ることなく、出力モードを変化させることができるとい
う点である。つまり、ミラーを取り替えることなく、取
りだし鏡である部分反射ミラー5の位置を変化させるだ
けで、出力ビームのモードを変化させることができる。
このことは一組のミラーで、いろいろなモードを取り出
すことができる、という点で、実用上非常に有益であ
る。
Such a laser resonator is effective in that the output mode can be changed without changing the surface shapes of the aspherical total reflection mirrors 3 and 4. That is, the mode of the output beam can be changed only by changing the position of the partial reflection mirror 5, which is a take-out mirror, without replacing the mirror.
This is very useful in practice in that various modes can be extracted with a set of mirrors.

【0076】実施例3.図7はこの発明の他の実施例に
よるレーザ共振器の構成を示す断面図であり、図におい
て、図1に示した参照符号と同一の符号は同一又は相当
する構成要素を示している。
Example 3. 7 is a sectional view showing the structure of a laser resonator according to another embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those shown in FIG. 1 designate the same or corresponding constituent elements.

【0077】図7に示すように、この実施例によるレー
ザ共振器においては、円環形状の全反射ミラー3と部分
反射ミラー5とが一体に構成されている。これら2つの
ミラーを一体とする場合、その母材が異なるため(CO
2 レーザの場合、全反射ミラーに、Au−coat C
u、部分反射ミラーにZnSe)、一体とするにはそれ
らを正確に填め合わせるか、あるいは母材を部分反射ミ
ラー5のものに統一し、その上にコーティングを施す等
が考えられる。尚、この実施例によるレーザ共振器の動
作は、実施例1のレーザ共振器のものと同様であるの
で、ここでは説明を省略する。
As shown in FIG. 7, in the laser resonator according to this embodiment, the ring-shaped total reflection mirror 3 and the partial reflection mirror 5 are integrally formed. When these two mirrors are integrated, their base materials are different (CO
In the case of 2 lasers, the Au-coat C
u, ZnSe) in the partial reflection mirror, they may be accurately fitted together, or the base material may be unified to that of the partial reflection mirror 5 and a coating may be applied thereon. Since the operation of the laser resonator according to this embodiment is similar to that of the laser resonator according to the first embodiment, its explanation is omitted here.

【0078】このように複数のミラーを一体に構成する
と、全体の構造が簡単になる、部品点数が減る等の効果
のほか、ミラーの微調整機構等が不必要になり、ミラー
のアライメントのしやすさや、安定性が向上する。
When a plurality of mirrors are integrally formed in this manner, the whole structure is simplified, the number of parts is reduced, and the fine adjustment mechanism of the mirror is not necessary. Ease of use and stability are improved.

【0079】実施例4.図8はこの発明の他の実施例に
よるレーザ共振器の構成を示す断面図であり、図におい
て、図1に示した参照符号と同一の符号は同一又は相当
する構成要素を示しており、34はルーフリフレクタで
ある。
Example 4. FIG. 8 is a sectional view showing the structure of a laser resonator according to another embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those shown in FIG. 1 denote the same or corresponding components, and 34 Is a roof reflector.

【0080】図8に示すように、この実施例によるレー
ザ共振器は、部分反射ミラー5の代わりにルーフリフレ
クタ34を具備している。ルーフリフレクタ34は、2
枚の平面ミラーを90度の角度で合わせたものであり、
それぞれのミラーと90度の角をなす平面で入射した光
線が、ミラーの交線に対して左右が反転して出射するよ
うに構成されている。
As shown in FIG. 8, the laser resonator according to this embodiment includes a roof reflector 34 instead of the partial reflection mirror 5. The roof reflector 34 is 2
It is a combination of two plane mirrors at an angle of 90 degrees.
Light rays that are incident on a plane that makes an angle of 90 degrees with each mirror are emitted so that the left and right are inverted with respect to the line of intersection of the mirrors.

【0081】次に動作について説明する。この実施例に
よるレーザ共振器はかかる構成を有しているので、ルー
フリフレクタ34によって反射される毎にビームの上下
が入れ代わり、レーザ共振器の往復の度に、ビームの導
波路中の伝搬経路が変化する。つまり、レーザ共振器の
内部のビームを混ぜ合わせるような効果が生まれるの
で、少ない往復回数でビームのコヒーレンシーを容易に
向上させることができる。その結果、レーザ共振器の安
定性やアライメント裕度が向上する。また、このような
効果はここで述べたルーフリフレクタの代わりにコーナ
ーリフレクタ、又はアキシコンミラー等を用いることに
よっても得られる。また、共振器の構成やレーザの取り
出し方法にもよるが、このミラーからレーザを取り出す
場合は取り出し部のルーフリフレクタ、コーナーリフレ
クタ、又はアキシコンミラー等は部分反射ミラーで構成
されることは言うまでもない。
Next, the operation will be described. Since the laser resonator according to this embodiment has such a configuration, the beam is switched up and down every time it is reflected by the roof reflector 34, and the propagation path in the waveguide of the beam is changed every time the laser resonator makes a round trip. Change. In other words, the effect of mixing the beams inside the laser resonator is produced, so that the coherency of the beams can be easily improved with a small number of round trips. As a result, the stability and alignment tolerance of the laser resonator are improved. Further, such an effect can be obtained by using a corner reflector, an axicon mirror, or the like instead of the roof reflector described here. Also, depending on the structure of the resonator and the method of extracting the laser, it goes without saying that when extracting the laser from this mirror, the roof reflector, the corner reflector, the axicon mirror, or the like of the extraction portion is composed of a partial reflection mirror. .

【0082】実施例5.図9はこの発明の他の実施例に
よるレーザ共振器の構成を示す断面図であり、図におい
て、図1に示した参照符号と同一の符号は同一又は相当
する構成要素を示している。
Example 5. FIG. 9 is a sectional view showing the structure of a laser resonator according to another embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those shown in FIG. 1 designate the same or corresponding constituent elements.

【0083】図9に示すように、この実施例によるレー
ザ共振器においては、全反射ミラー4が環円筒形状のレ
ーザ媒質1の内部に配置されている。尚、この実施例に
よるレーザ共振器の動作は、実施例1のレーザ共振器の
ものと同様であるので、ここでは説明を省略する。
As shown in FIG. 9, in the laser resonator according to this embodiment, the total reflection mirror 4 is disposed inside the ring-shaped laser medium 1. Since the operation of the laser resonator according to this embodiment is similar to that of the laser resonator according to the first embodiment, its explanation is omitted here.

【0084】このような構成にすることにより、レーザ
共振器をさらに小形化することができる。
With such a structure, the laser resonator can be further miniaturized.

【0085】実施例6.図10はこの発明の他の実施例
によるレーザ共振器の構成を示す断面図であり、図にお
いて、図1に示した参照符号と同一の符号は同一又は相
当する構成要素を示している。
Example 6. 10 is a sectional view showing the structure of a laser resonator according to another embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those shown in FIG. 1 designate the same or corresponding components.

【0086】図10に示すように、この実施例によるレ
ーザ共振器においては、実施例3と同様に円環形状の全
反射ミラー3と部分反射ミラー5とが一体に構成されて
いる上に、非球面の全反射ミラー4と全反射ミラー2と
が一体に構成されている。実施例5ですでに述べたよう
に、これら全反射ミラー3と部分反射ミラー5を一体と
する場合、その母材が異なるため(CO2 レーザの場
合、全反射ミラーに、Au−coat Cu、部分反射
ミラーにZnSe)、一体とするにはそれらを正確に填
め合わせるか、あるいは母材を部分反射ミラー5のもの
に統一し、その上にコーティングを施す等が考えられ
る。尚、この実施例によるレーザ共振器の動作は、実施
例1のレーザ共振器のものと同様であるので、ここでは
説明を省略する。
As shown in FIG. 10, in the laser resonator according to this embodiment, the annular total reflection mirror 3 and the partial reflection mirror 5 are integrally formed as in the third embodiment. The aspherical total reflection mirror 4 and the total reflection mirror 2 are integrally formed. As already described in the fifth embodiment, when the total reflection mirror 3 and the partial reflection mirror 5 are integrated, the base materials thereof are different (in the case of a CO 2 laser, the total reflection mirror has Au-coat Cu, It is conceivable that the partial reflection mirror is made of ZnSe) and they are accurately fitted to each other, or the base material is unified to that of the partial reflection mirror 5 and a coating is applied thereon. Since the operation of the laser resonator according to this embodiment is similar to that of the laser resonator according to the first embodiment, its explanation is omitted here.

【0087】このような構成にすると、ミラーの実質的
な個数は2枚となり、通常の単純なファブリーペロー型
共振器と変わらず、アライメントと安定性が向上する。
With this configuration, the number of mirrors is substantially two, which is the same as that of a normal simple Fabry-Perot resonator, and the alignment and stability are improved.

【0088】実施例7.図11はこの発明の一実施例に
よるレーザ装置の構造を詳細に示す断面図であり、図に
おいて、図1に示した参照符号と同一の符号は同一又は
相当する構成要素を示しており、6,7は電極、8はマ
ッチングボックス、9は電源、10はセラミック電極、
11は電極6の外管、12は電極6の内管、13は水冷
ジャケット、14は電極保持調整機構、15はインバ
ー、16はウインドウ、17は全反射ミラー3のxyz
微調機構、18は部分反射ミラー5のxyz微調機構、
19は全反射ミラー2を微調整するためのマイクロメー
タ、20は全反射ミラー4を微調整するためのマイクロ
メータ、21は全反射ミラー4を微調整するためのマイ
クロメータ、22は部分反射ミラー5を微調整するため
のマイクロメータ、23は真空ポンプである。
Example 7. FIG. 11 is a sectional view showing in detail the structure of a laser device according to an embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those shown in FIG. 1 denote the same or corresponding components, and 6 , 7 is an electrode, 8 is a matching box, 9 is a power source, 10 is a ceramic electrode,
Reference numeral 11 is an outer tube of the electrode 6, 12 is an inner tube of the electrode 6, 13 is a water cooling jacket, 14 is an electrode holding and adjusting mechanism, 15 is an invar, 16 is a window, 17 is xyz of the total reflection mirror 3.
Fine adjustment mechanism, 18 is an xyz fine adjustment mechanism of the partial reflection mirror 5,
Reference numeral 19 is a micrometer for finely adjusting the total reflection mirror 2, 20 is a micrometer for fine adjustment of the total reflection mirror 4, 21 is a micrometer for fine adjustment of the total reflection mirror 4, and 22 is a partial reflection mirror. A micrometer for finely adjusting 5 and a vacuum pump 23.

【0089】図11では、一例として、冷却機構を具備
する放電励起のガスレーザ、特にCO2 レーザの場合を
示しており、このレーザ装置には上記実施例1に示した
レーザ共振器が組み込まれている。
FIG. 11 shows, as an example, a discharge-excited gas laser equipped with a cooling mechanism, particularly a CO 2 laser. The laser resonator shown in the first embodiment is incorporated in this laser device. There is.

【0090】環円筒形状のレーザ媒質1は、円柱形状の
内側電極6と円環形状のセラミック電極10との間の間
隙として構成される。この間隙は真空容器になってお
り、容器内には環円筒形状のレーザ媒質1としてレーザ
ガスが入れられ、一定圧力に保たれている。セラミック
電極10の外側には外側電極7が設けられており、放電
はセラミック電極10を介した外側電極7と内側電極6
との間で発生する。内側電極6は装置の構成上、装置筐
体と電気的に等電位となるべく接地されており、外側電
極7は電源9に接続される。
The ring-cylindrical laser medium 1 is formed as a gap between the cylindrical inner electrode 6 and the ring-shaped ceramic electrode 10. This gap is a vacuum container, and a laser gas is introduced as the laser medium 1 having a ring-cylindrical shape in the container and kept at a constant pressure. The outer electrode 7 is provided on the outer side of the ceramic electrode 10, and the outer electrode 7 and the inner electrode 6 are discharged via the ceramic electrode 10.
Occurs between and. Due to the structure of the device, the inner electrode 6 is grounded so as to be electrically equipotential to the device housing, and the outer electrode 7 is connected to the power supply 9.

【0091】通常、電源9としてRF(radio f
requency)電源が用いられる。電源9はマッチ
ングボックス8を介して外側電極7に接続されている。
放電はセラミックと金属の間でなされるMetal−D
ielectric境界の放電であるが、これにより均
一な放電が得られる。また、このタイプの放電は構造が
簡単になる点で有効である。
Normally, as the power source 9, an RF (radio f
A power supply is used. The power source 9 is connected to the outer electrode 7 via the matching box 8.
Metal-D discharge between ceramic and metal
This is a discharge at the ielectric boundary, but a uniform discharge can be obtained. Further, this type of discharge is effective in that the structure is simple.

【0092】内側電極6は外管11と内管12の2重管
構造で形成されており、内側電極6を内側から水冷でき
るよう構成されている。外側電極7の外側にも、水冷ジ
ャケット13が設けられ、外側電極7の外側はこれによ
り水冷される。
The inner electrode 6 is formed of a double tube structure of an outer tube 11 and an inner tube 12, and is constructed so that the inner electrode 6 can be water-cooled from the inside. A water cooling jacket 13 is also provided on the outer side of the outer electrode 7, so that the outer side of the outer electrode 7 is water cooled.

【0093】内側電極6は電極保持調整機構14によっ
て装置の一端で支えられ、その傾きが調整できるように
なっているため、内側電極6をセラミック電極10と正
確に同軸になるように調整することができる。
Since the inner electrode 6 is supported at one end of the device by the electrode holding and adjusting mechanism 14 and the inclination thereof can be adjusted, it is necessary to adjust the inner electrode 6 so as to be exactly coaxial with the ceramic electrode 10. You can

【0094】真空容器である環円筒形状のレーザ媒質1
の両端は、全反射ミラー2とウインドウ16とによって
真空封じ込めが行われている。レーザ共振器を構成する
要素が同時に真空の封じ込めも行っているため、ウイン
ドウの数が減り、構造を簡単にすることができる上に性
能をも向上することができる。
Laser medium 1 in the shape of a circular cylinder, which is a vacuum container
Both ends of are vacuum-sealed by the total reflection mirror 2 and the window 16. Since the constituent elements of the laser resonator also contain the vacuum at the same time, the number of windows can be reduced, the structure can be simplified, and the performance can be improved.

【0095】全反射ミラー2にはマイクロメータ19が
備えられており、真空を損なうことなく全反射ミラー2
の角度を微調整することができる。
The total reflection mirror 2 is provided with the micrometer 19, so that the total reflection mirror 2 can be maintained without damaging the vacuum.
The angle of can be fine-tuned.

【0096】さらに、非球面の全反射ミラー4はウイン
ドウ16と一体になるようにウインドウ16に取り付け
られており、ウインドウ16にマイクロメータなどの微
調整機構20を持たせることによって、全反射ミラー4
の微調を可能にしている。また、全反射ミラー4は、こ
のようにウインドウ16に一体的に取り付けるようにし
て少なくとも内側から保持する様に構成する必要があ
り、もし外側から保持するように構成するとレーザビー
ムの伝搬を妨げることになる。
Further, the aspherical total reflection mirror 4 is attached to the window 16 so as to be integrated with the window 16, and the total reflection mirror 4 is provided with a fine adjustment mechanism 20 such as a micrometer.
It enables fine adjustment of. Further, the total reflection mirror 4 needs to be configured so as to be integrally attached to the window 16 so as to be held from at least the inside, and if it is configured to be held from the outside, the propagation of the laser beam is hindered. become.

【0097】図12は全反射ミラー4を保持するため
の、ウインドウ16との前記一体構成をより詳細に示す
斜視図である。図12からより一層明らかなように、環
円筒形状のレーザ媒質1と出力ビームが同軸である場
合、もし全反射ミラー4が共振器の構成上、レーザ媒質
1の外側から保持されるならばビームの伝搬を妨げるこ
とになる。また、環円筒形状のレーザ媒質1と出力ビー
ムが同軸でないならば、レーザ共振器の構成も複雑にな
り、ミラーの設計も困難になる。従って、環円筒形状の
レーザ媒質1と出力ビームとを同軸にするためには、全
反射ミラー4を内側から保持する必要がある。この実施
例はその解決策の一例として、ウインドウ16と全反射
ミラー4を一体に構成しており、これによって構造を簡
単にしている。
FIG. 12 is a perspective view showing in more detail the above-mentioned integrated structure with the window 16 for holding the total reflection mirror 4. As is clearer from FIG. 12, when the ring-cylindrical laser medium 1 and the output beam are coaxial, if the total reflection mirror 4 is held from the outside of the laser medium 1 due to the structure of the resonator, the beam is emitted. Will interfere with the propagation of. Further, if the output medium is not coaxial with the ring-shaped laser medium 1, the structure of the laser resonator becomes complicated and the mirror design becomes difficult. Therefore, in order to make the ring-shaped cylindrical laser medium 1 and the output beam coaxial, it is necessary to hold the total reflection mirror 4 from the inside. In this embodiment, as an example of the solution, the window 16 and the total reflection mirror 4 are integrally formed, which simplifies the structure.

【0098】全反射ミラー2と、ウインドウ16に一体
的に取り付けられた全反射ミラー4とを含む上記したレ
ーザ装置の構成要素は、熱膨張係数が小さいインバー1
5に支持されており、これによって、全反射ミラー2と
全反射ミラー4との間の距離は常に一定に維持される。
The components of the above-described laser device including the total reflection mirror 2 and the total reflection mirror 4 integrally attached to the window 16 are the Invar 1 having a small thermal expansion coefficient.
5, the distance between the total reflection mirror 2 and the total reflection mirror 4 is always kept constant.

【0099】円環形状の非球面全反射ミラー3はミラー
ホルダーによって保持されるが、このミラーホルダーに
はマイクロメータ等の角度微調機構21、及びxyz方
向の微調機構17が必要である。また、上記したよう
に、このミラー3は真ん中にビームを通すため、中心部
に貫通孔を有した円環形状である必要がある。同じく、
部分反射ミラー5のミラーホルダーも、マイクロメータ
等の角度微調機構22、及びxyz方向の微調機構18
を具備する必要がある。
The ring-shaped aspherical total reflection mirror 3 is held by a mirror holder, and this mirror holder requires an angle fine adjustment mechanism 21 such as a micrometer and an xyz direction fine adjustment mechanism 17. Further, as described above, since the mirror 3 allows the beam to pass through in the middle, it needs to have an annular shape having a through hole in the center. Similarly,
The mirror holder of the partial reflection mirror 5 is also provided with an angle fine adjustment mechanism 22 such as a micrometer and an xyz direction fine adjustment mechanism 18.
Must be provided.

【0100】ここでは、CO2 レーザについて述べた
が、この実施例によるレーザ共振器が同じく放電励起で
ガス冷却の必要なCOレーザなど他のガスレーザにも適
用できることは言うまでもない。
Although the CO 2 laser has been described here, it goes without saying that the laser resonator according to this embodiment can also be applied to other gas lasers such as CO lasers which also require gas cooling by discharge excitation.

【0101】実施例8.図13はこの発明の他の実施例
によるレーザ装置を説明するための環円筒形状媒質がレ
ーザの導波路として働く場合を示す説明図である。CO
2 ガスレーザなどのガスレーザでは、円筒の側面から冷
却する必要があるため、円筒の幅(ギャップ長)は短い
ほうがよく、そのような短ギャップの空間をレーザが伝
搬するためには、導波路が有効である。
Example 8. FIG. 13 is an explanatory view showing a case where a ring-cylindrical medium serves as a laser waveguide for explaining a laser device according to another embodiment of the present invention. CO
For gas lasers such as 2 gas lasers, it is necessary to cool from the side of the cylinder, so the width of the cylinder (gap length) should be short, and a waveguide is effective for the laser to propagate in such a short gap space. Is.

【0102】しかし、導波路内では伝搬モードが自由空
間の伝搬モードと異なるため、この発明によるレーザ共
振器のような、ビーム形状や波面の設計まで詳細に行う
ことを目的とする場合は、その伝搬モードの影響も考慮
せねばならない。
However, since the propagation mode in the waveguide is different from the propagation mode in the free space, when it is intended to design the beam shape and the wavefront in detail like the laser resonator according to the present invention, the The effect of the propagation mode must also be considered.

【0103】非常に簡単なモデルによって、導波路内の
伝搬モードを導出する。まず、ギャップ長dで、両壁が
金属で構成されたスラブ型の導波路を想定する。座標系
を図14に示すようにギャップ方向にx軸、波の進行方
向にz軸をとる。このとき、∂/∂y=0とし、z方向
へは波が波数βで伝搬する、即ち、電界が次の式で表さ
れると仮定すると、
The propagation mode in the waveguide is derived by a very simple model. First, assume a slab type waveguide having a gap length d and both walls made of metal. As shown in FIG. 14, the coordinate system has an x-axis in the gap direction and a z-axis in the wave traveling direction. At this time, assuming that ∂ / ∂y = 0 and assuming that a wave propagates with a wave number β in the z direction, that is, an electric field is represented by the following equation,

【0104】[0104]

【数1】 [Equation 1]

【0105】導波路の空間では次のような波動方程式が
成立するはずである。
The following wave equation should hold in the space of the waveguide.

【0106】[0106]

【数2】 [Equation 2]

【0107】ここで、k0 =ω/c、n0 (=1)は導
波路の屈折率である。また、導波路壁での境界条件か
ら、 E(0,y)=E(d,y)=0 (3) が成り立つので、これらから式(2)の解は、
Here, k 0 = ω / c, n 0 (= 1) is the refractive index of the waveguide. Also, from the boundary conditions at the waveguide wall, E (0, y) = E (d, y) = 0 (3) holds, so the solution of equation (2) is

【0108】[0108]

【数3】 (Equation 3)

【0109】となる。nは1以上の任意の整数であり、
nが偶数の時偶関数、即ち導波路中心に対して非対称な
モードを示し、奇数の時対称なモードを示す。
It becomes: n is an arbitrary integer of 1 or more,
When n is an even number, it shows an even function, that is, a mode asymmetric with respect to the waveguide center, and when n is an odd number, it shows a symmetric mode.

【0110】以上のような最も簡単な場合の導波路の伝
搬モードの算出により、導波路内の伝搬モードは正弦関
数であり、モードによって伝搬係数βの値が異なること
が明らかになった。このことは、モードによって伝搬速
度も異なることを示している。
The calculation of the propagation mode of the waveguide in the simplest case as described above has revealed that the propagation mode in the waveguide is a sine function and the value of the propagation coefficient β differs depending on the mode. This indicates that the propagation speed also differs depending on the mode.

【0111】自由空間中の伝搬の固有モードは周知のよ
うにガウシアン関数である。ガウシアン関数のビームは
伝搬によってその形状は変化しない。しかし、導波路端
からガウシアンビームが入射すると、導波路内の固有伝
搬モードによって展開され、展開された固有モードはそ
れぞれ異なった速度で導波路内を伝わり、導波路終端で
また足し合わされ、自由空間に出る。このため、一般に
導波路通過によってビームの形状は変化してしまう。
The eigenmode of propagation in free space is a Gaussian function, as is well known. The beam of the Gaussian function does not change its shape due to propagation. However, when a Gaussian beam is incident from the end of the waveguide, it is expanded by the natural propagation mode in the waveguide, and the expanded natural modes are propagated in the waveguide at different speeds and are added together at the end of the waveguide. Go to. Therefore, the beam shape generally changes due to passage through the waveguide.

【0112】しかしながら、ある条件の下ではこの変化
を最小限にすることができる。その条件は導波路のギャ
ップ長と導波路長とによって決定される。導波路の長さ
をLとすると、導波路の入口と出口との間に発生する位
相変化は、Lβで与えられる。従って、各固有モードの
位相変化φn は、
However, under certain conditions, this change can be minimized. The condition is determined by the gap length of the waveguide and the waveguide length. When the length of the waveguide is L, the phase change generated between the inlet and the outlet of the waveguide is given by Lβ. Therefore, the phase change φ n of each eigenmode is

【0113】[0113]

【数4】 [Equation 4]

【0114】で与えられる。ただし、n0 =1、k0
ω/cである。
Is given by However, n 0 = 1 and k 0 =
ω / c.

【0115】この値が、モード毎にちょうど2πの整数
倍だけずれるとき、導波路の入口と出口とにおけるビー
ム形状は等しくなるといえる。一般のnに対してこのよ
うな条件のLを求めることはできないが、もしも入射ビ
ームが中心に対して対称であれば、そのような条件が得
られることを示す。
When this value deviates by an integer multiple of 2π for each mode, it can be said that the beam shapes at the entrance and exit of the waveguide become equal. It is not possible to obtain L of such a condition for general n, but it is shown that such a condition can be obtained if the incident beam is symmetrical with respect to the center.

【0116】中心に対して対称なビームとはn=1,
3,5,…=2m−1(mは1以上の任意の整数)であ
る。このことから、次の式が成り立つ。
A beam symmetric with respect to the center is n = 1,
3, 5, ... = 2m-1 (m is an arbitrary integer of 1 or more). From this, the following equation holds.

【0117】[0117]

【数5】 (Equation 5)

【0118】ここで、下式の2つの括弧の内部は共に整
数であり、その差は2m−1で奇数なので、どちらかが
偶数である。よって、この式が2πの整数倍となるため
には、Lとdが、 L=nd2 /λ (7) の関係を満たしておればよく、逆にこの関係を満たして
いるとき、導波路の中心に対称なビームはその形伏を変
えずに出射する。ここで、nは任意の整数、λはレーザ
の波長である。
Here, the insides of the two parentheses in the following equation are both integers, and the difference between them is 2m−1, which is an odd number, so either one is an even number. Therefore, in order for this expression to be an integral multiple of 2π, it is sufficient that L and d satisfy the relationship of L = nd 2 / λ (7). Conversely, when this relationship is satisfied, the waveguide A beam symmetrical with respect to the center of is emitted without changing its contour. Here, n is an arbitrary integer and λ is the wavelength of the laser.

【0119】実際の導波路は、両導波路壁が金属ではな
い場合が多く、また導波路に入るビームも厳密には導波
路中心に対して対称ではない。しかし、導波路壁が誘電
体である場合でも、その誘電体への電界の侵入長は十分
小さく、金属境界を仮定して得られた上記のモードで十
分近似できること等の理由からここで得られた関係式は
十分実用に耐えると考えてよい。
In an actual waveguide, both waveguide walls are often not made of metal, and the beam entering the waveguide is not strictly symmetrical with respect to the waveguide center. However, even when the waveguide wall is a dielectric, the penetration length of the electric field into the dielectric is sufficiently small, and it can be obtained here because it can be sufficiently approximated by the above mode obtained assuming a metal boundary. It can be considered that the relational expression is sufficiently practical.

【0120】実施例9.図15はこの発明の一実施例に
よる、上記実施例に記載されたレーザ共振器を備えたレ
ーザ装置の構成を示す断面図であり、図において、図1
1に示した参照符号と同一の符号は同一又は相当する構
成要素を示しており、33は内側電極6の周りに設けら
れたセラミックのチューブである。
Example 9. FIG. 15 is a cross-sectional view showing the structure of a laser device including the laser resonator described in the above embodiment according to the embodiment of the present invention.
The same reference numerals as those shown in 1 denote the same or corresponding components, and 33 is a ceramic tube provided around the inner electrode 6.

【0121】実施例8で述べたように、上記実施例1等
で示したレーザ共振器が組み込まれるレーザ装置におい
ては、環円筒形状のレーザ媒質1がレーザの導波路とな
ることは非常に有効であるが、一方、実施例1でも述べ
たように、導波路の伝搬ではビームの偏光によって伝搬
特性が変化する。
As described in the eighth embodiment, in the laser device in which the laser resonator shown in the first embodiment or the like is incorporated, it is very effective that the ring-cylindrical laser medium 1 serves as a laser waveguide. On the other hand, as described in the first embodiment, on the other hand, in the propagation of the waveguide, the propagation characteristic changes depending on the polarization of the beam.

【0122】導波路はそのような歪みが最小になるよう
に設計するのが好ましい。この歪みは導波路壁の材質に
大きく依存し、s偏光とp偏光の反射特性の違いの大き
い金属で非常に大きくなり、誘電体ではs偏光とp偏光
の反射特性の違いは十分小さくなる。また、導波路が片
面は金属、片面は誘電体のような非対称な構造であれ
ば、進行方向が導波路の軸からずれるという効果がおこ
る。このため、導波路壁が両側共に誘電体であるよう
な、対称誘電体導波路が最適であると結論される。
The waveguide is preferably designed to minimize such distortion. This distortion greatly depends on the material of the waveguide wall, and becomes very large in a metal having a large difference in reflection characteristics between s-polarized light and p-polarized light, and the difference in reflection characteristics between s-polarized light and p-polarized light is sufficiently small in a dielectric. If the waveguide has an asymmetric structure such as a metal on one side and a dielectric on the other side, the effect that the traveling direction deviates from the axis of the waveguide occurs. Therefore, it is concluded that a symmetric dielectric waveguide, where the waveguide walls are dielectric on both sides, is optimal.

【0123】図15は、図11に準じて両側の導波路壁
が誘電体であるようなレーザ装置の一例を示したもので
ある。内側電極6の周りにセラミックのチューブ33が
設けられており、内側電極6と外側電極7の間は、内側
電極6−内側セラミックチューブ33−放電空間1a−
外側セラミックチューブ10a−外側電極7、という構
造になっている。この構造は、図11に示したような、
片側誘電体、片側金属の電極構造と比較すると、構造的
には複雑になるが、円筒形の放電空間が導波路として働
く場合など、偏光依存性が顕著になる場合には、かかる
両側誘電体の構造の方が有利である。
FIG. 15 shows an example of a laser device according to FIG. 11 in which the waveguide walls on both sides are dielectrics. A ceramic tube 33 is provided around the inner electrode 6, and between the inner electrode 6 and the outer electrode 7, the inner electrode 6-the inner ceramic tube 33-the discharge space 1a-
The structure is such that the outer ceramic tube 10a-the outer electrode 7. This structure is as shown in FIG.
Although it is structurally more complicated than the one-sided dielectric or one-sided metal electrode structure, such double-sided dielectrics are used when polarization dependence becomes significant, such as when a cylindrical discharge space acts as a waveguide. This structure is more advantageous.

【0124】実施例10.図16はこの発明の他の実施
例によるレーザ装置の主要部の構成を示す断面図であ
り、図において、35はフラッシュランプ、36は円筒
型YAGロッド、37は外殻、38は内側冷却水、39
は外側冷却水である。
Example 10. FIG. 16 is a sectional view showing the structure of the main part of a laser device according to another embodiment of the present invention. In the figure, 35 is a flash lamp, 36 is a cylindrical YAG rod, 37 is an outer shell, and 38 is inner cooling water. , 39
Is the outer cooling water.

【0125】この実施例によるレーザ装置は、上記実施
例1等に示したレーザ共振器を固体レーザに適用したも
のである。円筒型YAGロッド36は、図1等に示す上
記した環円筒形状のレーザ媒質1に相当している。この
円筒型YAGロッド36の内部に、励起用のフラッシュ
ランプ35が挿入されている。レーザ媒質の外殻37は
内面が高反射率の反射ミラーになっている。また、レー
ザ装置全体は内側冷却水38及び外側冷却水39によっ
て水冷される。
The laser device according to this embodiment is obtained by applying the laser resonator shown in the first embodiment or the like to a solid-state laser. The cylindrical YAG rod 36 corresponds to the above-mentioned annular cylindrical laser medium 1 shown in FIG. A flash lamp 35 for excitation is inserted inside the cylindrical YAG rod 36. The inner surface of the outer shell 37 of the laser medium is a reflection mirror having a high reflectance. The entire laser device is water-cooled by the inner cooling water 38 and the outer cooling water 39.

【0126】次に動作について説明する。このような構
造を有する固体レーザにおいては、フラッシュランプ3
5の光はその全てが反射を介することなく直接、固体レ
ーザのレーザ媒質である円筒形YAGロッド36に到達
し、ほとんどがロッドに吸収される。吸収されたフラッ
シュランプ35の光によって励起されたYAGロッド3
6はレーザ発振を起こす。そして、上記実施例1等で示
したように、YAGロッド36内で増幅されたレーザ光
は、図1に示した全反射ミラー3及び4によって円形状
のビームに変換され、部分反射ミラー5等を介して出射
する。
Next, the operation will be described. In the solid-state laser having such a structure, the flash lamp 3
All of the light of No. 5 directly reaches the cylindrical YAG rod 36 which is the laser medium of the solid-state laser without passing through reflection, and most of it is absorbed by the rod. YAG rod 3 excited by the absorbed light of flash lamp 35
6 causes laser oscillation. Then, as shown in the first embodiment and the like, the laser light amplified in the YAG rod 36 is converted into a circular beam by the total reflection mirrors 3 and 4 shown in FIG. 1, and the partial reflection mirror 5 and the like. Exit through.

【0127】このように、この実施例によるレーザ装置
は、環円筒形状のレーザ媒質1を備え、これを効率よく
励起するためにフラッシュランプ等の励起源をレーザを
レーザ媒質の内側に収容し、レーザ媒質の外側には励起
源より発せられたレーザ媒質を透過した光を再びレーザ
媒質へと戻す反射ミラーを備えたので、非常に高効率の
励起が可能であるうえに、上記した実施例1等によるレ
ーザ共振器を適用することにより高品質のレーザビーム
を生成することができる。
As described above, the laser device according to the present embodiment is provided with the ring-cylindrical laser medium 1, and in order to efficiently pump the laser medium, a pump source such as a flash lamp is housed inside the laser medium. Since a reflection mirror for returning the light emitted from the excitation source and transmitted through the laser medium back to the laser medium is provided outside the laser medium, it is possible to perform the excitation with extremely high efficiency, and also the first embodiment described above. A high-quality laser beam can be generated by applying a laser resonator based on the above.

【0128】実施例11.図17はこの発明の他の実施
例によるレーザ装置の主要部の構成を示す断面図であ
り、図において、40は熱交換器(冷却手段)、41は
ブロア(循環手段)である。
Example 11. FIG. 17 is a sectional view showing the structure of the main part of a laser device according to another embodiment of the present invention. In the figure, 40 is a heat exchanger (cooling means) and 41 is a blower (circulation means).

【0129】この実施例によるレーザ装置は、CO2
ーザ等のガスレーザであって、環円筒形状の放電空間
(光学空間)中にレーザガスを封じ込めずに、軸方向に
ガスを流し、外部でガスを循環させるような機構を具備
したものである。
The laser device according to the present embodiment is a gas laser such as a CO 2 laser. The laser gas is not confined in the discharge space (optical space) having a ring-cylindrical shape, but the gas is flowed in the axial direction and the gas is externally supplied. It is equipped with a mechanism for circulation.

【0130】次に動作について説明する。ブロア41
は、放電空間内に封入されたガスに図17に示す矢印の
方向に流れを生起して、ガスを循環させる。ブロア41
によって循環されるガスは熱交換器40に到達するとそ
こで冷却され、再び放電空間内へと導かれる。このよう
な構成を有したレーザ装置では、電極から熱伝導によっ
てレーザガスを冷却する必要がないため、円筒のギャッ
プ長を大きくすることが可能となる。従って、この実施
例によるレーザ装置は、従来の高速軸流型のレーザを円
環状に並べたものと同等になり、従来の技術を用いて超
高出力のレーザを発振することができるうえに、上記し
た実施例1等によるレーザ共振器を適用することにより
高品質のレーザビームを生成することができる。
Next, the operation will be described. Blower 41
Generates a flow in the gas enclosed in the discharge space in the direction of the arrow shown in FIG. 17 to circulate the gas. Blower 41
When the gas circulated by the heat exchanger reaches the heat exchanger 40, it is cooled there and is guided again into the discharge space. In the laser device having such a configuration, it is not necessary to cool the laser gas from the electrodes by heat conduction, so that the gap length of the cylinder can be increased. Therefore, the laser device according to this embodiment is equivalent to a conventional high-speed axial flow type laser arranged in an annular shape, and it is possible to oscillate an ultrahigh-power laser by using the conventional technique. A high-quality laser beam can be generated by applying the laser resonator according to the first embodiment described above.

【0131】また、かかる構成は、同じく放電励起でガ
ス冷却の必要なCOレーザにも適用できることは言うま
でもない。
Needless to say, such a structure can also be applied to a CO laser that requires gas cooling by discharge excitation.

【0132】[0132]

【発明の効果】以上のように、請求項1の発明によれ
ば、レーザ媒質の他端から所定の距離をなして設置さ
れ、且つレーザ媒質を通過した光をレーザ媒質の中心軸
付近方向に集光させる第2の全反射ミラーと、第2の全
反射ミラーによって集められた光を概略平行な光に変換
する第3の全反射ミラーとを備えており、第2及び第3
の全反射ミラーは、互いに協働して、レーザ媒質中にお
ける環円筒形状部分の光の波面が最も平面に近くなる、
ビームウエストの位置における光の断面形状である円環
の中心の円の虚像を実質的に一点に集めるような形状及
び配置関係を有するように構成したので、レーザ光の出
射ビームの波面、即ち位相分布を均一することができる
効果がある。
As described above, according to the first aspect of the invention, the light which is installed at a predetermined distance from the other end of the laser medium and which has passed through the laser medium is directed in the direction near the central axis of the laser medium. A second total reflection mirror for condensing and a third total reflection mirror for converting the light collected by the second total reflection mirror into substantially parallel light are provided.
The total reflection mirrors of the above cooperate with each other so that the wavefront of the light of the ring-cylindrical portion in the laser medium becomes the closest to the plane.
The wavefront of the output beam of the laser beam, that is, the phase The effect is that the distribution can be made uniform.

【0133】請求項2の発明によれば、ミラーの中心か
らの距離に関する1次式又は2次式で表されるように構
成したので、同様に、レーザ光の出射ビームの波面、即
ち位相分布を均一にすることができる効果がある。
According to the second aspect of the invention, since the structure is represented by a linear expression or a quadratic expression relating to the distance from the center of the mirror, similarly, the wavefront of the outgoing beam of the laser light, that is, the phase distribution. There is an effect that can be made uniform.

【0134】請求項3の発明によれば、第3の全反射ミ
ラー上でのビームについて、該ビームの中心位置からレ
ーザ媒質の中心軸までの距離bと、ビームのビーム径ω
m との比b/ωm の値が、当該レーザ共振器の出力ビー
ムの横モードを選択するための指標として規定されるよ
うに構成したので、発振する横モードを共振器損失の差
によって選択することができる効果がある。
According to the third aspect of the invention, for the beam on the third total reflection mirror, the distance b from the central position of the beam to the central axis of the laser medium and the beam diameter ω of the beam.
Since the value of the ratio b / ω m with respect to m is defined as an index for selecting the transverse mode of the output beam of the laser resonator, the transverse mode to oscillate is selected by the difference in the resonator loss. There is an effect that can be.

【0135】請求項4の発明によれば、円筒座標系にお
ける当該レーザ共振器の出力ビームの角度方向の次数を
nとするとき、第3の全反射ミラー上でのビームについ
て、該ビームの中心位置からレーザ媒質の中心軸までの
距離bと、ビームのビーム径ωm との比b/ωm の値
が、0.5n+0.9<b/ωm <0.5n+1.8の
関係を満たすように構成したので、発振する横モードを
共振器損失の差によって選択することができる効果があ
る。
According to the invention of claim 4, when the order of the output direction of the laser resonator in the cylindrical coordinate system in the angular direction is n, the center of the beam on the third total reflection mirror is set. The value of the ratio b / ω m of the distance b from the position to the central axis of the laser medium and the beam diameter ω m of the beam satisfies the relationship of 0.5n + 0.9 <b / ω m <0.5n + 1.8. With this configuration, there is an effect that the transverse mode to oscillate can be selected according to the difference in resonator loss.

【0136】請求項5の発明によれば、環円筒形状のレ
ーザ媒質を有し、且つ請求項3又は請求項4に記載され
たレーザ共振器を備えており、環円筒形状のレーザ媒質
がレーザビームの導波路となっており、レーザ共振器が
周方向に偏光したTEM0n *に相当するビームを出力す
べく比b/ωm の値が規定されるように構成したので、
導波路損失が最小で、対称性,安定性に優れたビームを
得ることができる効果がある。
According to the fifth aspect of the present invention, the laser medium has a ring-cylindrical laser medium, and the laser resonator according to claim 3 or 4 is provided. Since it serves as a beam waveguide and the laser resonator is configured so that the value of the ratio b / ω m is regulated so as to output a beam corresponding to TEM 0n * polarized in the circumferential direction,
There is an effect that a beam with a minimum waveguide loss and excellent symmetry and stability can be obtained.

【0137】請求項6の発明によれば、環円筒形状のレ
ーザ媒質を有しており、請求項1から請求項4のうちの
いずれか1項に記載されたレーザ共振器を備えており、
環円筒形状のレーザ媒質がレーザビームの導波路となっ
ており、且つ導波路のギャップ長dと導波路長LとがL
=n×d2 /λ(nは任意の整数、λはレーザの波長)
の関係を満たすように構成したので、導波路の中心に対
称なビームはその形状を変えずに出射することができる
効果がある。
According to the invention of claim 6, the laser medium has a ring-cylindrical laser medium, and the laser resonator according to any one of claims 1 to 4 is provided,
The ring-cylindrical laser medium serves as a waveguide for the laser beam, and the waveguide gap length d and the waveguide length L are L.
= N × d 2 / λ (n is an arbitrary integer, λ is the laser wavelength)
Since it is configured so as to satisfy the above relationship, there is an effect that a beam symmetric with respect to the center of the waveguide can be emitted without changing its shape.

【0138】請求項7の発明によれば、環円筒形状のレ
ーザ媒質を有し、且つ請求項1から請求項4のうちのい
ずれか1項に記載されたレーザ共振器を備えており、第
3の全反射ミラーをレーザ媒質の内部より保持するよう
に構成したので、ビームの伝搬を妨げることなく、第3
の全反射ミラーを保持することができるようになる効果
がある。
According to the invention of claim 7, a laser medium having a ring-cylindrical shape is provided, and the laser resonator according to any one of claims 1 to 4 is provided. Since the total reflection mirror of No. 3 is configured to be held from the inside of the laser medium,
There is an effect that the total reflection mirror can be held.

【0139】請求項8の発明によれば、環円筒形状の気
体をレーザ媒質として有し、且つ請求項1から請求項4
のうちのいずれか1項に記載されたレーザ共振器を備え
ており、環円筒形状の光学空間の軸方向に気体を流すと
ともにレーザ共振器の外部に気体を導き再度光学空間内
に気体を戻す循環手段と、循環手段によって外部に導か
れた気体を冷却する冷却手段とをさらに備えるように構
成したので、レーザ媒質の大きさを規定する円筒のギャ
ップ長を大きくすることが可能となり、より大きな出力
のレーザビームを得ることができる効果がある。
According to the eighth aspect of the present invention, a ring-cylindrical gas is used as the laser medium, and the first to fourth aspects are provided.
The laser resonator according to any one of 1 to 3 is provided, and the gas is caused to flow in the axial direction of the ring-shaped optical space and the gas is guided to the outside of the laser resonator to return the gas into the optical space again. Since the circulating means and the cooling means for cooling the gas guided to the outside by the circulating means are further provided, it is possible to increase the gap length of the cylinder that defines the size of the laser medium, and to increase the size. There is an effect that an output laser beam can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 この発明の一実施例によるレーザ共振器の構
造の概略を示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view schematically showing the structure of a laser resonator according to an embodiment of the present invention.

【図2】 図1に示したレーザ共振器において生成され
るレーザビームのビームウエストを説明するための斜視
図である。
FIG. 2 is a perspective view for explaining a beam waist of a laser beam generated in the laser resonator shown in FIG.

【図3】 この発明の一実施例によるレーザ共振器を構
成するミラーの設計方法を説明するための図である。
FIG. 3 is a diagram for explaining a method of designing a mirror that constitutes a laser resonator according to an embodiment of the present invention.

【図4】 この発明の一実施例によるレーザ共振器にお
ける、横モードに応じて変化する導波路中の偏光状態を
示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a polarization state in a waveguide that changes according to a transverse mode in a laser resonator according to an embodiment of the present invention.

【図5】 この発明の一実施例によるレーザ共振器にお
ける、ミラー設計上のパラメータb/ωm に対する伝搬
する横モードの共振器損失の変化を示すグラフ図であ
る。
FIG. 5 is a graph showing a change in propagating transverse mode resonator loss with respect to a mirror design parameter b / ω m in a laser resonator according to an embodiment of the present invention.

【図6】 この発明の他の実施例によるレーザ共振器の
構成を示す構成図である。
FIG. 6 is a configuration diagram showing a configuration of a laser resonator according to another embodiment of the present invention.

【図7】 この発明の他の実施例によるレーザ共振器の
構成を示す断面図である。
FIG. 7 is a sectional view showing the structure of a laser resonator according to another embodiment of the present invention.

【図8】 この発明の他の実施例によるレーザ共振器の
構成を示す断面図である。
FIG. 8 is a sectional view showing the structure of a laser resonator according to another embodiment of the present invention.

【図9】 この発明の他の実施例によるレーザ共振器の
構成を示す断面図である。
FIG. 9 is a sectional view showing the structure of a laser resonator according to another embodiment of the present invention.

【図10】 この発明の他の実施例によるレーザ共振器
の構成を示す断面図である。
FIG. 10 is a sectional view showing a structure of a laser resonator according to another embodiment of the present invention.

【図11】 この発明の他の実施例によるレーザ装置の
中心軸を含む平面での断面図である。
FIG. 11 is a sectional view of a laser device according to another embodiment of the present invention in a plane including the central axis.

【図12】 図11に示したレーザ装置における全反射
ミラー4の保持方法について説明した図である。
12 is a diagram illustrating a method for holding total reflection mirror 4 in the laser device shown in FIG.

【図13】 この発明の他の実施例によるレーザ装置に
おいて、環円筒形状媒質を導波路としてレーザが伝搬す
る様子を示した図である。
FIG. 13 is a diagram showing how a laser propagates using a ring-cylindrical medium as a waveguide in a laser device according to another embodiment of the present invention.

【図14】 両壁が金属で構成されたスラブ型の導波路
を示す断面図である。
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a slab-type waveguide in which both walls are made of metal.

【図15】 この発明の他の実施例によるレーザ装置の
中心軸を含む平面での断面図である。
FIG. 15 is a sectional view of a laser device according to another embodiment of the present invention in a plane including the central axis.

【図16】 この発明の他の実施例によるレーザ装置で
あるフラッシュランプ励起の固体レーザの構造を示す断
面図である。
FIG. 16 is a sectional view showing the structure of a flash lamp-pumped solid-state laser which is a laser device according to another embodiment of the present invention.

【図17】 この発明の他の実施例によるレーザ装置の
主要部の構成を示す断面図である。
FIG. 17 is a sectional view showing a structure of a main part of a laser device according to another embodiment of the present invention.

【図18】 従来のワキシコンを用いたレーザ共振器を
示す構成図である。
FIG. 18 is a configuration diagram showing a laser resonator using a conventional waxicon.

【図19】 図18に示したワキシコンを用いたレーザ
共振器において、ワキシコンミラーの部分を拡大して示
す構成図である。
19 is a configuration diagram showing an enlarged view of a portion of a waxicon mirror in the laser resonator using the waxicon shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 環円筒形状のレーザ媒質、2 全反射ミラー(第1
の全反射ミラー)、3円環形状の非球面の全反射ミラー
(第2の全反射ミラー)、4 非球面の全反射ミラー
(第3の全反射ミラー)、5 部分反射ミラー、16
ウインドウ、40 熱交換器(冷却手段)、41 ブロ
ア(循環手段)。
1 ring-shaped laser medium, 2 total reflection mirror (first
Total reflection mirror of 3), an annular aspherical total reflection mirror (second total reflection mirror), 4 aspherical total reflection mirror (third total reflection mirror), 5 partial reflection mirrors, 16
Window, 40 heat exchanger (cooling means), 41 blower (circulation means).

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉沢 憲治 尼崎市塚口本町八丁目1番1号 三菱電機 株式会社中央研究所内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Kenji Yoshizawa 8-1-1 Tsukaguchihonmachi, Amagasaki-shi Central Research Laboratory, Mitsubishi Electric Corporation

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 環円筒形状のレーザ媒質を有するレーザ
装置に使用されるレーザ共振器において、前記レーザ媒
質の一端に設置される第1の全反射ミラーと、前記レー
ザ媒質の他端から所定の距離をなして設置され、且つ前
記レーザ媒質を通過した光を前記レーザ媒質の中心軸付
近方向に集光させる第2の全反射ミラーと、該第2の全
反射ミラーによって集められた光を概略平行な光に変換
する第3の全反射ミラーと、該第3の全反射ミラーによ
り変換された概略平行な光に対して実質的に垂直に設け
られ、且つ前記概略平行な光の一部を透過させる部分反
射ミラーとを備えており、前記第2及び第3の全反射ミ
ラーは、互いに協働して、前記レーザ媒質中における環
円筒形状部分の光の波面が最も平面に近くなる、ビーム
ウエストの位置における光の断面形状である円環の中心
の円の虚像を実質的に一点に集めるような形状及び配置
関係を有することを特徴とするレーザ共振器。
1. A laser resonator used in a laser device having an annular cylindrical laser medium, wherein a first total reflection mirror installed at one end of the laser medium and a predetermined total distance from the other end of the laser medium. A second total reflection mirror, which is installed at a distance and focuses light passing through the laser medium in a direction near the central axis of the laser medium, and light collected by the second total reflection mirror A third total reflection mirror for converting the light into parallel light; and a part of the substantially parallel light provided substantially perpendicular to the substantially parallel light converted by the third total reflection mirror. A beam having a partial reflection mirror for transmitting light, wherein the second and third total reflection mirrors cooperate with each other so that a light wavefront of a ring-cylindrical portion in the laser medium is closest to a plane. At the waist A laser resonator having a shape and an arrangement relationship such that a virtual image of a circle at the center of an annulus, which is a cross-sectional shape of light, is substantially collected at one point.
【請求項2】 前記第2及び第3の全反射ミラーの表面
形状がそれぞれ、ミラーの中心からの距離に関する1次
式又は2次式で表されることを特徴とする請求項1に記
載のレーザ共振器。
2. The surface shape of each of the second and third total reflection mirrors is expressed by a linear expression or a quadratic expression relating to the distance from the center of the mirror, respectively. Laser resonator.
【請求項3】 前記第3の全反射ミラー上でのビームに
ついて、該ビームの中心位置から前記レーザ媒質の中心
軸までの距離bと、前記ビームのビーム径ωm との比b
/ωm の値が、当該レーザ共振器の出力ビームの横モー
ドを選択するための指標として規定されていることを特
徴とする請求項1又は請求項2に記載のレーザ共振器。
3. The ratio b of the beam diameter ω m of the beam on the third total reflection mirror to the distance b from the central position of the beam to the central axis of the laser medium.
3. The laser resonator according to claim 1, wherein the value of / ω m is defined as an index for selecting the transverse mode of the output beam of the laser resonator.
【請求項4】 円筒座標系における当該レーザ共振器の
出力ビームの角度方向の次数をnとするとき、前記第3
の全反射ミラー上でのビームについて、該ビームの中心
位置から前記レーザ媒質の中心軸までの距離bと、前記
ビームのビーム径ωm との比b/ωm の値が、0.5n
+0.9<b/ωm <0.5n+1.8の関係を満たし
ていることを特徴とする請求項3に記載のレーザ共振
器。
4. When the order in the angular direction of the output beam of the laser resonator in the cylindrical coordinate system is n, then the third
Of the beam on the total reflection mirror, the ratio b / ω m of the distance b from the central position of the beam to the central axis of the laser medium and the beam diameter ω m of the beam is 0.5 n.
The laser resonator according to claim 3, wherein the relationship of +0.9 <b / ω m <0.5n + 1.8 is satisfied.
【請求項5】 環円筒形状の前記レーザ媒質がレーザビ
ームの導波路となっており、前記レーザ共振器が周方向
に偏光したTEM0n * に相当するビームを出力すべく前
記比b/ωm の値が規定されていることを特徴とする請
求項3又は請求項4に記載のレーザ共振器を備えたレー
ザ装置。
5. The ring-cylindrical laser medium serves as a waveguide for a laser beam, and the laser resonator outputs a beam corresponding to TEM 0n * polarized in the circumferential direction so that the ratio b / ω m. The laser device having the laser resonator according to claim 3 or 4, wherein the value of is defined.
【請求項6】 環円筒形状の前記レーザ媒質がレーザビ
ームの導波路となっており、且つ導波路のギャップ長d
と導波路長LとがL=n×d2 /λ(nは任意の整数、
λはレーザの波長)の関係を概略満たしていることを特
徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項記載のレ
ーザ共振器を備えたレーザ装置。
6. The ring-shaped cylindrical laser medium serves as a waveguide for a laser beam, and a gap length d of the waveguide is used.
And the waveguide length L is L = n × d 2 / λ (n is an arbitrary integer,
5. A laser device having a laser resonator according to claim 1, wherein λ substantially satisfies a relationship of (laser wavelength).
【請求項7】 前記第3の全反射ミラーが環円筒形状の
前記レーザ媒質の内部より支持されていることを特徴と
する請求項1から請求項4のいずれか1項記載のレーザ
共振器を備えたレーザ装置。
7. The laser resonator according to claim 1, wherein the third total reflection mirror is supported from the inside of the ring-shaped cylindrical laser medium. Equipped laser device.
【請求項8】 前記レーザ媒質が気体であり、環円筒形
状の光学空間の軸方向に前記気体を流すとともに前記レ
ーザ共振器の外部に前記気体を導き再度前記光学空間内
に前記気体を戻す循環手段と、該循環手段によって外部
に導かれた気体を冷却する冷却手段とを備えたことを特
徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項記載のレ
ーザ共振器を備えたレーザ装置。
8. The circulation, wherein the laser medium is a gas, the gas is caused to flow in the axial direction of the ring-shaped optical space, and the gas is guided to the outside of the laser resonator to return the gas into the optical space again. 5. A laser device having a laser resonator according to claim 1, further comprising: a cooling means for cooling the gas guided to the outside by the circulation means.
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