JPS5950237B2 - 高発生率回折限定レ−ザ発振器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はレーザ発振器に関するものであり、特に回折限
定レーザ発振器の発生量を高めることに関するものであ
る。

レーザ発振器の中には弛張レーザ発振器及び能動Ｑスイ
ッチ・レーザ発振器がある。

本発明は特に能動Ｑスイッチ・レーザ発振器に適用する
ものである。

弛張レーザ発振器は２個の鏡の間に置かれた必要不可欠
な光増幅媒体を持つ。

そのような装置は鏡の透過や回折、また空胴中の吸収に
よる損失を増幅媒体が補償するとすぐに光学発振器を構
成する。

このようなシステムでは、エネルギーが蓄積されないの
で゛出力も低いままである。

能動Ｑスイッチ・レーザ発振器は、弛張レーザ発振器の
鏡と増幅媒体の他に光学スイッチを増幅媒体と一方の鏡
との間に持つている。

このような光学スイッチは能動又は受動であり、この透
過は時間の経過につれて急速に変化する。

このようなシステムでは、増幅媒体内に多量のエネルギ
ーを発振することなく蓄積することができ、次に光学ス
イッチを開いて発振器内に蓄積したエネルギーを短時間
解放することができる。

この種の最初の装置は、光波が小さな角度で増幅するよ
うにして延びることのできる高いフレネル数に光の直径
が対応するので大きな立体角度に光を放射した。＾を放
射される光の波長とし、Ｌを光学空胴の長さとすると、
レーザが平面波を放射する条件は空胴内に置かれた孔明
き隔壁によつて限定される光線の直径Ｄが次のようにな
ることである。

λ／Ｄ−Ｄ／Ｌ 即ち Ｄ−り／λＬ一例として波長
＾■１μであり空胴の長さＬ＝１重とすると、光線の直
径は約ｌｍである。

本装置に必要な高品質の光線によつて、平面波に近い良
質の光線を得ることが意図され、空胴内に孔明き隔壁を
置くことが必要となつた。しかし、このようなシステム
では、孔明き隔壁を通過する光線のサイズが小さいため
に増幅媒体の容器を完全に実用化することはできない。

この発生率を改良するために、増幅媒体の容量使用値ま
で減らすことが考えられた。不幸にも、この解決方法は
増幅媒体の機械的抵抗や、結合、その他の理由で適用す
ることはできない。

その結果、現在使われている装置では、良質な光線を放
射するにもかかわらず、供給されたエネルギーの大部分
が未使用のままであるため発生量が低い。

この問題に対する第一解決法が提案された。

それは不安定空胴型又は回折結合発振器のシステムに関
連する。このようなシステムでは、主な部分は従来の発
振器のものと同じであるが、ただ片方の鏡を小型にして
光の断面を限定している。

鏡はしばしば曲率を有する。

作動の過程では、小さな鏡によつて空胴内に再注入され
た波の一部は良光学質である。

このような方法で構成された発振器の出力で、：讐ユ讐
一〒豐一（゜ｈ’゛Ｎ６”しかしこのシステムにはい＜
つあゝの欠点がある。

小さな鏡があることによつて光の空間拡散に孔（ホール
）が含まれる。空胴内での波が発散する性質があるため
、空胴内に周波数選択のための光学部材を導入するのが
困難になる。

小型鏡の反射係数は明かに大変低いので媒体は大変高い
利得と、、従つて多量の未使用蓄積エネルギーとを持ち
、このシステムの発振しきい値が非常に高く構成されて
いるので、蓄積されたエネルギーの大部分は棄てられる
。

本発明によれば、中間に光学増幅媒体と孔明き隔壁を配
置した２枚の鏡によつて形成される空胴を有する回折限
定レーザ発振器を提供しており、それにおいて孔明き隔
壁は増幅媒体と高反射係数を持つ鏡との間に置かれ、更
に孔明き隔壁と増幅器との間には偏光器と、発振器の出
力光線の偏光を回転する装置とを設け、光線が一旦増幅
媒体に達すると光線の断面がこの増幅媒体の断面とほぼ
等しくなるような方法で、この光線を変成し反射によつ
て増幅器及び偏光器へ返す。

本発明の特徴によれば、回転及び復帰装置は、偏光器及
び鏡を回転する装置を持つ。

更に本発明の特徴は次の説明で明らかになるだろう。

技術的にはすでに述べたとおりであるが図面を’参照し
て簡単に説明する。

第１図は、光増幅媒体１と、光源４によつてエネルギー
を供給されるこの増幅媒体の両側に向い合つて配置され
た２枚の鏡２と３とにより構成される弛張レーザ発振器
を表わしている。

第１図に示したレーザ発振器の作動は、第２図のグラフ
トに示されている。

曲線Ａ，Ｂ，Ｃはそれぞれ、エネルギー供給（ポンピン
グ）の時間に対する展開、ポピユレーシヨン及び放射レ
ーザ出力を示している。増幅器１に充分なエネルギーを
蓄積することが不可能であると言う事実によつて、レー
ザの出力Ｃが限定されたままであることをこのグラフか
ら明らかで゛ある。

第３図は、第１図のレーザ発振器の一部を構成する部材
に加えて、光学スイツチ５を持つ能動Ｑスイッチ・レー
ザ発振器を表わしている。

第４図のグラフを参照すると、第２図に示したものと同
等に供給出力Ａ’に対し、光学スイツチ５が閉じている
一定の供給時間の終りに急にこのスイツチ５を開いて、
増幅器に蓄積したエネルギーをパルスＣ’状に放つのが
示されている。

しかし第５図に示されているように、弛張レーザ発振器
又は能動Ｑスイツチ・レーザ発振器にかかわらず、レー
ザ発振器の出力放射は比較的大きな立体角度内で伝播す
る。有益な光線は、空胴を形成している鏡２，３に垂直
な方向に延びる光線Ｆ，である。

これは、この空胴のダイヤフラムの直径がかなり小さな
ＤＯ−一 Ｖ＾Ｌである時だけに見られる放射である。

さてもし光線の有効直径、又従つて増幅器の有効直径、
及び鏡の有効直径がＤＯを超えると、Ｆ。

のような光線が小さな角度で延びる。Ｆ。

のように放射の純度に逆に影響するような光線の拡大を
最小限に減らすために、第６図のシステムは例えば鏡２
と増幅器との間、又は能動Ｑスイツチ・レーザ発振器に
関する場合には第６図に破線で示されている光学スイツ
チ５と増幅媒体との間に孔明きダイヤフラム６を持つ。
この孔明き隔壁６は増幅媒体１を限定し、有効容積７、
即ち媒体１の残部は、エネルギー供給を受けているにも
かかわらず、使われることもなく、この部分に蓄積され
ているエネルギーも失なわれる。

このような欠点を克服するために、第７図のシステムに
於て、空胴の一方の鏡そして一方の孔明き隔壁は、小型
の発散鏡８によつて機能を果す。

このような所謂不安定空胴システムは前に述べたような
欠点を持つ。本発明によるレーザ発振器は第８図に図解
式に示されている。

この発振器は第１鏡１０と発振器の出力鏡を構成する第
２鏡１１との間に配置された光増幅媒体より成る。

この図示の具体例は、第１鏡１０と増幅媒体９との間に
光学スイツチ１２が配置されるような能動Ｑスイツチ・
レーザ発振器に関して示している。光学スイツチ１２と
増幅媒体との間には、図示されたシステムを回折限定発
振器にする孔明きダイヤフラム１３が配置されている。
このような発振器の放出量を増すために、このシステム
は更に孔明き隔壁１３と増幅媒体９との間に置いた偏光
器１４を含有し、又レーザ光線の出力通路上には光線の
偏光を回転し、帰すための装置１５を持つている。この
ような回転及び復帰装置１５は、具体例に示したように
、４分の１波長板１６と、増幅媒体に帰る時に光線が増
幅媒体と同じ直径を持つような曲率の曲面鏡１７とを持
つ。

今説明している例では、この４分の１波長板１６は反射
鏡１７からは独立している。

その効果は一定の例えば石英のような光学材の自然二重
屈折と、機械的又は電磁的な圧力によつて光学媒体内で
起る二重屈折に基づいている。又鏡１７の構造に使われ
ている電気層で同じ効果にて起る二重屈折も使われるこ
ともある。この場合は、４分の１波長板と鏡１７とは一
致する。光回転復帰装置１５はまた、石英のような光学
媒体の自然回転出力に基づく回転子又はフアラデ一効果
によつて起る回転出力に基づく回転子を用いて構成する
こともできる。

第８図のシステムは、システムの質を良くするために用
いられている破線で示した光学システム１８を有する。

これは特に媒体９の大きさに光線の直径を適合させるた
めである。偏光器１４は、グラン・プリズムが、誘電偏
光器、又は他の偏光器によつて形成されている。

鏡１０は、発振空胴を形成する高い反射係数を持つ鏡で
ある。隔壁１３は光線の質を決める。

空胴の出力鏡である鏡１１は、低い反射係数を持つよう
に選ばれる。

４分の１波長板１６の位置と鏡１７の位置は、レーザ発
振器によつて放射された波と共通の軸を持つて帰る波が
、鏡１７に反射した後にこの放射された波に垂直な偏光
を持つように選定される。

本発明の発振器は次のように作動する。

供給エネルギーが増幅媒体９に与えられると、増幅媒体
は鏡１０，１１及び光学スイツチ１２と連合して従来の
能動Ｑスイツチ・レーザ発振器の増幅媒体と同様に作動
する。

光学スイツチ１２が開くと、レーザ発振器は光のパルス
を放出し、その放射は孔明き隔壁］３によつて限定され
る。

偏光器１４はレーザ発振器によつて放射された光線に適
切に定められた偏光を与える。

増幅媒体９内を伝播した後、この光の一部は出力鏡１１
を通過して４分の１波長板１６に達する。次に、こノの
４分の１波長板と組合わせになつてその偏光を回転させ
る鏡によつて反射する。この鏡１７は発散鏡であり、こ
れによつて反射する光線は発散光線であり、それは増幅
媒体９に達する時媒体の断面と等しい断面を持ちそれに
よつて媒体に蓄積さ７れた全エネルギーから利益を得る
。増幅媒体の出力側では、このように増幅した光線は偏
光器１４に突き当るが、出力鏡１１に向つて移動する場
合の偏光とは異る偏光を持つので、偏光器によつて反射
して、高度に増強した出力の放射となつて空フ胴を離れ
る。このような放射は容易に変成することができ、例え
ば従来の光学システムを用いて平行光線に変成すること
ができる（図示せず）。

ここに説明したシステムによつて、孔明き隔壁を用いて
高いエネルギーを持つ回折限定レーザ発振器の出力光線
と同程度に良質光線を得ることが可能になる。

この結果、本発明によると、励発された容積をよりよ＜
実用することによつて回折限定レーザ発振器の発生量を
かなり増加させることができる。

更にこのシステムには次のような利点がある。得られた
光線には孔（ホール）がなく、従来の回折限定発振器に
よるものと同程度良質である。本発明によるシステムは
、空胴内に補助部材を導入することによつて空胴内にお
ける周波選定を容易に行うことができる。本発明による
システムは、固体増幅媒体で構成されるだけでなく、液
体又は気体媒体でも構成することができる。

ここに本発明によつて発生量の増加した回折限定能動Ｑ
スイツチ・レーザ発振器の構成の適例を挙げる。

これは数ナノセカンドから数１０ナノセカンドまでの調
節可能な期間における赤外光線パルスの発生器に関する
ものである。この発生器の平均出力は１０〜２０ＭＷで
光線の巾は５０ＭＨｚから３０００ＭＨｚの間で調節可
能である。

このレーザはＹＡＧ（イツトリウムとアルミニウムのケ
イ酸塩）結晶内のネオジム・イオンを一１．０６μで転
換させる。

部材１０〜１６によつて形成された共振空胴は光束パル
スを発生し、その期間は次の３種のパラメータの役割を
果す。

増幅媒体におけるポピユレーシヨン反転、空胴の長さ、 空胴の過剰電圧。

空胴構造構成部分は次のとおりである。

１０：１．０６μでＲ 〜９９％の反射係数を有する鏡
、１２：クワアンテル（ＱＵＡＮＴＥＬ）ＱＳ３Ｏｌ型
のポ．ツケル（ＰＯｃｋｅｌｓ）セルを有するスイツチ
、１３：直径１ｍｍの横型選択隔壁、１４：グラン・ト
ムソン偏光器、 ９：直径６ｍｍ、長さ７５ｍｍの棒状ＹＡＧを設けた増
幅部、１１：Ｒ〜８％の低い反射係数を持つ鏡。

偏光を回転する装置１５は４分の１波長板１６と鏡１７
とから成り、この鏡１７はＲ 〜９９％の反射係数で、
光線が増幅媒体に戻つた時直径が５ｍｍ、即ち媒体９の
直径と等しくなるような曲率を有する。

この出力パルスには次のような特徴がある。

持続時間：２〜２０ｎｓエネルギー：５０〜１５０ｍｊ 回折限定波の円形対称 準ガウシアン・エンベロープ 低変調速度 次の比較表は、回折限定能動Ｑスイツチ・レーザ発振器
と、不安定空胴能動Ｑスイツチ・レーザ発振器と本発明
による能動Ｑスイツチ・レーザ発振器の特徴を示してい
る。

図示して説明したこの具体例では偏光回転装置１５は空
胴の出力鏡１１とは別に４分の１波長板１６を持つてい
るが、この４分の１波長板を出力鏡の代りに使用しても
よ＜、この場合出力鏡１１は省略される。

第８図に関する具体例では光線の偏光及び反射のための
装置は発散鏡１７を有しているが、レーザ鏡１７との距
離と、増幅媒体９、平面鏡又は曲率のある鏡を単独で或
は光学システム１８を組合わせて、レーザの発散に応じ
て使うことができることがわかるであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、弛張レーザ発振器の図式図、第２図は、第１
図のレーザの作動を示すグラフ、第３図は、能動Ｑスイ
ツチ・レーザ発振器の図式図、第４図は、第３図のレー
ザ発振器の作動を示すグラフ、第５図は、孔明き隔壁を
除いたレーザの放射を示す図式図、第６図は、孔明き隔
壁を設けたレーザ発振器を示す図式図、第７図は、回折
によつて結合したレーザ発振器を示す図、第８図は、本
発明によつて改良されたレーザ発振器を示す図式図であ
る。 １・・・・・・増幅媒体、２，３・・・・・・鏡、４・
・・・・・光源、５・・・・・・光学スイツチ、６・・
・・・・ダイヤフラム（隔壁）、８・・・・・・鏡、９
・・・・・・増幅媒体、１０，１１・・・・・・鏡、１
２・・・・・・光学スイツチ、１３・・・・・・ダイヤ
フラム、１４・・・・・・偏光器、１５・・・・・・光
回転復帰装置、１６・・・・・・４分の１波長板、１７
・・・・・・鏡、１８・・・・・・光学システム。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 光学増幅媒体及び孔明き隔壁を中間に配置した２個
   の鏡によつて形成された空胴により構成される回折限定
   レーザ発振器において、前記鏡の一方は低い反射係数を
   有し、他方は高い反射係数を有し、前記孔明き隔壁は増
   幅媒体と高い反射係数を持つ鏡との間に位置し、前記の
   低い反射係数を有する鏡の外側に配設された発散鏡とし
   ての第３の鏡を有し、又発振器は更に、隔壁と増幅媒体
   との間にある偏光器と、発振器の空胴より発射する光線
   の通路内で、前記の低い反射係数を有する鏡と発散鏡と
   の間に置かれ、発振器の出力光線の偏光を回転させる装
   置とを有してこの光を増幅媒体及び偏光器へ反射するこ
   とによつて復帰させ、それによつて光線が再び増幅媒体
   に達した時に光線の断面が増幅媒体の断面にほぼ等しく
   なるような高発生率回折限定レーザ発振器。