JPS5933993B2 - 不安定環レ−ザ−共振子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はレーザー、特に高出力を供給できる非安定レー
ザー共振器に関する。

今日迄のレーザー開発の大部分は、安定発振器と通常称
する物を使用している。

安定発振器の場合には、平行にした電磁放射ビームは、
利得媒体からビームヘのエネルギー移動を起す状態で、
利得媒体を通過する。レーザー技術は、多量の出力を大
容積の利得媒体から回折剖限定したビームに引き出さね
ばならないところまで発展している。部分的に伝達する
光学系又はホール結合を利用する安定共振器の形状の使
用するのが約数キロワットまでの殆んどの低出力レーザ
ーの応用にとつて実用的である。前記装置を実験用レー
ザーとして使用し、又、レーザーやホログラフイのよう
な応用装置に使用する。しかし、高出力の大きな柱状活
動媒体になると、安定共振器技術は、もはや適切ではな
い。機構を通して伝わる全出力のうちわづかな量を吸収
するだけで厳しい冷却を必要とするから、部分的に伝達
する光学系の使用は益々困難になる。極端な場合には、
光学系は加熱すると破壊する。高出力線形非安定レーザ
ー装置を用いた代りの非伝達型結合機構は回折結合であ
る。しかし、大容量の利得媒体から良好なモード性質を
持つ平行ビームの出力を生ずることは未だ不可能である
。本発明の目的は、共振器からの大量の電磁放射を平行
ビームの形で効率的に結合することである。

本発明の他の目的へ共振器のモード容量と、分数出力結
合特性に妥協せずに横モード識別の要求を満す共振器を
用いてレーザービームを発生させることである。本発明
は、共振器を光学的に非安定にし、かつ、ビームの断面
積を変える領域とエネルギーをビームに移転する領域と
を持たせれば、共振器中では、電磁放射ビームに対して
、横方向モード識別とは無関係に、モード容積、分数出
力結合および光整合公差は決定できるという認識に基づ
いている。

本発明によれば、通過する電磁放射ビームが平行となる
第１の領域と通過するビームが平行にならない第２の領
域とを有する非安定共振器であつて、その中においてビ
ームの直径の変化を許容し得る少なくとも二つの反射表
面を持つ共振器ができる。即ち、平行ビームのエネルギ
ー密度は利得媒体を通過することにより増大し、密度の
増大したビームの部分は、環状で平行な出力ビームとし
て共振器の外で、回折的に結合する一方、ビームの中心
部は二つの反射曲面間を通過して、そこで拡大し、反復
する。本発明の基本的特徴は、共振器内ビームの横モー
ドパターンとモード容量および空洞の安定度基準の両効
果とを同時に出す事である。

本発明の望ましい実施例は、大きい基本モード容量、優
れた横モード制御および平行な出力ビームをもたらす全
体として反射する光学系を有する非安定非対称環状共振
器である。

共振器の視野は反射曲面の曲率半径と無関係である。こ
の発明は、長い曲率半径の鏡を使用しないので、光学不
整合と鏡の歪みには比較的鈍感である。さらに、共振器
は、単一方向の発振をその内部で助長する１より十分大
きい拡大率を持つことができ、かつ、遠フイールドパタ
ーンの中央弁（ローブ）に卦ける倍率は大きい。さらに
、出力結合器は、内部のビームが平行光束となる所であ
る共振器の視野のどこにでも配置することができる。本
発明の前記｝よび他の目的、特徴ならびに利点は添付図
面に示した好ましい実施例についての以下の詳細な説明
に照らしてより明白となる。

本発明の本質は、共振器中の横モード識別を支配する係
数をレーザー装置の分数的出力結合とモード容量を支配
する係数から分離することにある。該分離は、これらの
特性を本文中で詳述しているよう【非対称、非安定で共
焦の共振器中で可能となる。以下の説明のために、共振
器中の視野又は光学路は二つの独立した領域から成つて
いる。即ち、これらの内の一領域では、レーザービーム
は回折によつてきまる直径を持つ平行なビームとして通
過し、他の領域でへ レーザービームは一対の反射曲面
間を通過し、幾何学的拡大を受ける。生じる実際の拡大
は、以下詳細に述べるように、反射表面の相対曲率の関
数である。レーザービ一絹訝１得媒体からビームへのエ
ネルギーの移動によつて増幅され、エネルギーは共振器
視野の平行光束部分のビームに回折的に結合する。非対
称という用語は、ここでは拡大領域の光学的長さは平行
なビーム領域の光学的長さとは異なるということを意味
する。

また、非安定という用語１（λ共振器空洞内に生じる幾
何学的光線は、全て安定共振器内のように互に折り返す
というよりは空洞を出て行く傾向にあるということを意
味する。

さらに、共焦という用語は、反射曲面の両焦点は、その
面が直線上に並ぺば、一致するということを意味する。
簡略化した非安定、非対称環状共振器１０を第１図に示
す。

Ｒ１の曲率半径を持つ凸面鏡１２がＲ２の曲率半径を持
つ凹面鏡１４から距離Ｌのところに配置してあり、前記
凹凸反射鏡は共振器視野の拡大領域１５を限定する。全
反射平面を持つ平面反射鏡１６はこの簡単な装置の第３
の要素である。凹面鏡１４、平面反射鏡１６の間及び平
面反射鏡１６、凸面鏡１２との間の共振器視野部分は、
共振器の平行ビーム領域１１を形成する。励起された炭
酸ガスのような利得媒体を含む囲い１８を凹面鏡１４と
平面反射鏡１６の間に配置する。分離間隔Ｌと曲率半径
Ｒ，ならびにＲ２とは次の間係を満足する必要がある。

この共焦要件が満足すると、凹面鏡１４で反射し、第１
図に示すように反時計廻りに進むビームは平行ビーム領
域１７を通つて平行光束となる。

半径Ｒ，とＲ２はそれぞれ点Ａと点Ｂを中心とする。凸
面鏡１２と凹面鏡１４を共通中心線ＣＤに対して両者の
曲面が対称になるように回転させると、点ＡとＢは理論
的に中心線ＣＤ上の点Ｅに一致する。実際の装置では、
前記点を中心線上に投影すると、平行ビーム領域１７に
｝けるビームの平行条件のために、前記点は完全に一致
することはない。さらに、曲率半径の比は、次の関係に
従つて共振器の拡大率Ｍを決定する。同様に、拡大率は
、共振器から回折的につながる環状のビームの外径Ｄ。

とこのビームに含まれるホールの直径Ｄｉとの間の関係
を示す。前記ホールの直径と凸面鏡１２で反射するビー
ムの部分の直径は同じである。

さらに実際的な本発明の実施例を第２図に示す。

適当な曲率半径と適当に位置決めした凸面鏡１２Ａと凹
面鏡１４Ａとは一対の共焦点鏡を形成する。三つの平面
鏡１６Ａは凸面鏡および凹面鏡と組んで完全に共振器を
構成する。適当な利得媒体を含む一対の囲い１８Ａはそ
こを通過するレーザービームを増幅する。出力結合用の
鏡２０は共振器からのビーム２２の外側の部分を回折的
に結合する。より詳細に述べるように、共振器の単一方
向性動作が生じるように抑圧鏡２４が設けてある。

第１図に示す基本的な３鏡式共振器より、第２図に示す
５鏡式共振器を用いる主な理由の一つは、凸面鏡１２Ａ
｝よび凹面鏡１４Ａへの入射角を最小にしてビーム中に
起る可能性のある非点収差歪を最小にすることである。
共振器の必須部分をなす二つの曲面鏡の非対称、共焦配
置は横モード識別を許容する係数を本装置の分数出力結
合とモード容量を確定する係数から分離し、その結果、
大きな設計上の柔軟性を許容する。

共振器の視野は便宜的に拡大領域１５Ａと並行光束領域
１７Ａとに分けられている。

拡大領域では、ビームは鏡の曲率半径の比率で決まる断
面積の変化を受ける。

対称特性に対し非対称特性を持つ共振器の利点は、次の
簡単な数値例から直ちにわかる。光路の各辺を３単位と
して任意に選び、拡大率を２とした幾何学的に正方形の
共振器を考える。対称的に配置すると、両反射曲面は正
方形の正反対の角に位置し、そして、６単位の光学路長
５だけ離れるであろう。空洞は共焦であること（式１）
という要件を満すには、凹面鏡の半径は２４単位で、凸
面鏡の半径は１２単位となるであろう。云い換えれば、
共振器を非対称に配置したとすると、両曲面は正方形の
隣接する角に来て、３単位の光学路長だけ離れるであろ
う。拡大領域を３単位長とし、平行光束領域を９単位長
とすると、共焦共振器は凹面鏡の半径が１２単位で、凸
面鏡の半径が６単位となり、同じ視野の対称形共振器に
対する半径の正確に半分となる。長い曲率半径の鏡を正
確に作るのは困難で、共振器に用いる場合、比較的きび
しい整合要件を課する。それ故、縮小した曲率の曲面鏡
の使用を許容するどんな技術も、共振器の構成と動作を
容易にする。８パスの増幅器を含む非安定環状レーザー
の他の実施例を第３図に示す。

凸面鏡１２Ｂと凹面鏡１４Ｂとは拡大領域１５Ｂを確定
し、図示配置の９個の各反射用の平面鏡１６Ｂは共振器
を完成する。囲い１８Ｂはそこを通過するビーム２２Ｂ
を増幅する適当な利得媒体を提供する。環状の平面鏡２
０Ｂは共振器から出るビームの部分を回折的に結合する
。回折的結合という用悟は、エネルギーのある割合がビ
ームの外端から取り去られ、ごく近くの視界から見れば
その中心にエネルギーを含まない空間を持ち断面がドー
ナツ状の出力ビームを供給するということを示すのに使
用している。前記結合形式は、エネルギーをビームの断
面から多少一様に取り去る部分伝達光学系を有する共振
器からエネルギーを取り去る形式と対照的である。第３
図の折り返し光路不安定共振器に対し、明らかに選択す
べきものは、モード容量が活動利得媒体のそれと一致す
るほどに拡大した線形非安定共振器であると思われるか
もしれない。

この効果は曲面鏡の曲率半径を増加すれば達成できるが
、該共振器は、全ての可能な横モードにおける識別が比
較的困難であることを暗示する高いフレネル数を常に有
する。特に、空洞のフレネル数が２分の１程度の比較的
低い値に保たれている限り、空洞の最低オーダーのモー
ドだけが損失を最低にするであろう。即ち、フレネル数
が大体２又はそれ以上の値にまで増大できれば、フレネ
ル数のモードが殆んど同じ損失で存在でき、これは横モ
ード識別をより困難にする。

等価フレネル数南は次のように定義される。この式中フ
レネル数Ｎは、 と定義され、式中λは当該放射線の波長である。

上述の不安定環状レーザーの単一方向発振は幾つかの異
なる方法で達成できる。簡単な技術は、活動媒体を軸方
向に流すものである。

空洞の共振は、必要な動作方向と関係したドツブラ一偏
移利得の中心に近づくように同調できる。装置が光学軸
に沿つて正昧の流れがないものであるか、封止した管を
使用するものであれば、指向ｌ光路の一つに第２図に示
す鏡２４のような一直線の外部反射体を置くと、方向異
方性が生じる。反射体は時計回りの波と反時計回りの波
との間に非相反結合を生ずる。炭酸ガスのような等質利
得媒体の場合には、望ましくない方向の発振が抑圧され
る。これらの方法のいずれも、拡大率が約１の非安定共
振器に適している。拡大率が１より十分大きければ、時
計回り方向と反時計回り方向のモード容量は、第４図に
ついて詳述するように、ビームが拡大領域を通る方向に
より生ずる拡大あるいは集中効果のために相異する。

凸面鏡１２Ｃと凹面鏡１４Ｃとは拡大領域を確定し、反
射平面１６Ｃは共振器を完成する。適当な利得媒体と出
力結合用鏡２０Ｃを含む囲い１８Ｃはこの簡単な装置を
完成する。動作中、実線で示す前進モードは凸面鏡１２
Ｃから凹面鏡１４Ｃへの進行中に拡大する。前進モード
は平行ビームとして囲い１８Ｃに入り、活動利得媒体を
含む容量を完全に満たす。エネルギーは利得媒体から平
行ビームに移け、それによりこのビームは強められる。
ビームの外環は、鏡２０ＣＶＣよつて共振器外へ回折的
に結合し、ビームの中心は平面反射鏡１６Ｃと凸面鏡１
２Ｃとを遮断する環を回り続ける。共振器のこの部分の
モードは、拡大後であつて回折前のモードより小さい。
そのモードは、図示のように直径が小さいため、回折に
よりいくらか末広がりになつている。ビームが凸面鏡１
２Ｃで反射すると、共焦点用の凸面鏡１２Ｃ卦よび凹面
鏡１４Ｃ間で再び拡大し、そのサイクルを反復する。破
線で示す後進モードは、結合用鏡の開口を通過し、総モ
ード容量よりはるかに小さいビーム径を持つ活動利得媒
体を含む囲いに進入する。後進モード容量に対する前進
モード容量の比は、回折がない場合、共振器の拡大率の
２乗である。凹面鏡と凸面鏡の間を伝ぱん中に、後進モ
ードは一点に集中し、正確に平行光束とならないが、凸
面境から平面反射鏡１６Ｃへ伝ばんする際、本質的にそ
の小さい直径の故に回折を受ける。出力は鏡２０Ｃの反
対側から逆方向から引き出される。単一方向動作を可能
にする不安定共振器の重要な特徴は、前進モードは活動
利得媒体のすべてに遭遇し、かつ、後進モードが遭遇す
るよりもかなり多いということである。その結果、利得
媒体が均質的に飽和し得れば、前進モードは反対方向の
すべての発振を消去することができる。この現象は、視
野が２．１２５メートル、拡大率２、Ｙ，＝３／４，Ｖ
２＝３／２で１２．ｒの内径の環状結合用鏡を持つ非対
称共焦不安定共振器中に炭酸ガスの利得媒体を満たして
実証できた。他の共焦非安定共振器を第５図に示す。

共振器は、凹面鏡１４Ｄ１平面反射鏡１６Ｄおよび第２
の凹面鏡２６とから成つている。

第５図に示す凹面一凹面共振器と前述の凹面一凸面共振
器との違いは、第５図に示すシステムでは内部焦点整合
が起るということである。高出力装置では、この内部焦
点整合は、焦点整合が起る場所で媒体の破壊を誘発でき
、その結果空洞内に非線形光学効果を生ずるが、このシ
ステムは構成と整合の容易さという付随する利点と共に
、より短い曲率半径の鏡を使用できるという利点を持つ
ている。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明による非安定非対称環状レーザーの
簡略概要図。 第２図は、拡大領域に卦ける凸面鏡と凹面鏡の組み合せ
を用いる別の共振器の実施例の概要図でビームの歪みを
最小にするように配置している。第３図は共振器の平行
ビーム部分に多光路増幅器を備えた環状共振器の概要図
。第４図は、非対称不安定環状共振器中の前進および後
進モードを図示する概要図。第５図＆ζ両反射曲面のい
ずれもが凹面鏡である更に別の共振器の概要図である。 １０−一・・非対称環状共振器、１２・・・凸面鏡、１
４・・・凹面鏡、１５・・・拡大領域、１６・・・平面
反射鏡、ＩＴ・・坪行ビーム領域、１８・・・囲い、２
０・・舊、２４・・判圧鏡。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 二枚の共集点反射鏡と、少なくとも一枚の平面反射
   鏡と、電磁放射の励起発散を支持しかつ共振器内のコヒ
   ーレントな放射の内部ビームを与える共振器内に配した
   手段及び近いフィールドにて環状エネルギー分布を有す
   る平行ビームとして共振器から内部ビームの部分を取り
   出して結合する結合器を有する非安定環状共振器から成
   る高出力レーザー装置において、（ｉ）上記非安定共振
   器は上記共集点反射鏡の一枚から上記平面反射鏡を経て
   他の一枚に延びる第一の領域を有し、上記内部ビームは
   平行ビームとして通過し、（ｉｉ）上記二枚の共集点反
   射鏡の一枚から他の一枚に同じく延びる第二の領域を有
   し、その内部を上記内部ビームが非平行ビームとして通
   過し、内部ビームの断面積域は前記通過中に変化し、か
   つ上記第一の領域の光学路長は第二の領域の光学路長よ
   りも長いことを特徴とする、上記レーザー装置。