JPS6016115B2 - 複屈折結合式レ−ザ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 背景技術 ネオジムをドープしたイットリウムアルミニウムガーネ
ットレーザ（Ｎｄ：ＹＡＧ）のようなソリツドステート
レーザにおいては、大きな平均入力で作動する物質中の
熱勾配によって熱的な複屈折及び熱的なしンズ作用が誘
起される。

熱的なしンズ作用は、ミラーの曲率を適当に選択するか
、或いはレーザ共振器に補償レンズを用いることによっ
て解消できる。

熱的な複屈折は更に困難な問題である。平均入力の大き
なレーザでは、ロッドが通常水で冷却される。これによ
ってレーザロッド‘こ熱勾配が生じ、ロッドはその縁よ
りも中心において高温となる。ロッドは通常円柱状であ
るから、熱勾配が半径方向に生じて光学的な後屈折を議
起し、半径方向に偏光された光が接線方向に偏光された
光に対して異なった速度で伝搬することになる。偏光プ
リズムのような偏光素子を含むし−ザでは、この偏光素
子によって送られる平面偏光された光線が、レーザロツ
ドを通過した後に、楕円形に偏光される。楕円の程度並
びにその長軸及び短軸の向きはロッド表面上の場所ごと
に異なる。通常のレーザでは、光線の或る成分がその後
偏光素子によって阻止された時にレーザ出力の甚しい低
下が生じる。１９７９年のオーストラリア特許出願第５
３７６９号（１９７８羊ＰＤ第７１２４号）においては
、レーザロッドを通過するたびに偏光面を交互に９００
回転することによってこれらの作用を補償する手段が開
示されている。

これは、半径方向成分と接線方向成分とを交換して、ロ
ッドを一度通過する際に誘起された楕円を次にロッドを
通過する際に打ち消すという作用を有する。然し乍ら、
１９７８手の特許出願ＰＤ第７１２４号又はＧ．Ｄ．Ｆ
ＥＲＧＵＳＯＮ氏の米国特許第４０６８１９び号もこ開
示されたように熱補償技術は複雑である。

レーザロッドを通過して偏光光像スプリッタに向って戻
される際の楕円の程度及び楕円の向きはロッドの表面上
の場所ごと異なり、偏光素子からェネルギ“漏れ”が生
じて出力を低下せしめる。

従って、両反射器で相当の反射（即ち、約１００％の反
射）を行なわせることによりレーザ共振器を閉じた場合
には、ヱネルギ漏れが出力を構成する。実際には、この
ような偏光結合は、ＷＡＲＤ氏の英国特許第１３５８０
２３号及びＣＲＯＷ氏の米国特許第３９２４２０１号に
開示されたように低い繰り返し速度で使用されている。
これらの構成においては、偏光光線スプリツタの光線通
過平面に対して約４５ｏ の方位に整列されたポロ（Ｐ
ｏｒｒｏ）プリズムを用いることにより、レーザロツド
に隣接した共振器の側で光線の偏光状態が変えられる。
これにより、光線の偏光状態は平面偏光から楕円偏光へ
と均一に変えられる。偏光光線スプリツタへと戻る際に
は、楕円偏光光線の或る成分が共振器から出力として反
射される。このようにポロプリズムを使用することとは
別に、反射器が多層の譲霞体ミラーである場合にはしー
ザロッドに隣接した共振器の側に１′４皮長プレートを
使用するというやり方もある。

この１／４波長プレートの方位角は光線分割偏光器の光
線通過面に対して調整できる。１／４皮長プレートの方
位角を８とすれば、レーザからの出力は（ｓｉｎ（２８
））２として変化し、結合を０から１００％まで容易に
調整でき、結合程度を最適値に容易に調整できる。

このようにして１／４波長プレートを使用すると、低い
繰り返し速度であっても高い繰り返し速度であっても出
力ェネルギの変化を小さくしてレーザを作動できること
が実験で示されている。

１／４皮長プレートの方位角は平均入力が変化した時に
も出力を一定に維持するように調整しなければならない
。

このようなシステムは一般に平均入力が大きい時に重大
な欠点がある。

レーザロッドの複屈折はその表面上の場所ごとに異なり
然も平均入力によって大きさが異なるので、平均電力が
大きい際（繰り返し速度が高い際）のレーザ出力の強度
分布は空間的に大きな変化を示す。熱的な複屈折を考慮
して結合の変化をコンピュータで解析することにより、
１′傘皮長プレートの方位角及び平均入力によって。

ッドの断面にわたる大きな変化が示された。この結合変
化により強度分布にも対応的な変化が生じる。上記した
形式の強度変化自体は望ましくないものであるが、ロッ
ドの複屈折及び１／金皮長プレートの合成作用によって
結合程度が小さくされる場所では、ェネルギ密度が非常
に高くなってレーザ部品に損傷を招くことがある。

（第１図参照）。発明の目的本発明の目的は、出力結合
の空間的な変化を解消しそして光線の直径にわたってよ
り均一な結合を作り出すことである。

発明の開示 本発明によれば、光線の直交偏光成分間で相対的な移相
が空間的に急激に変化するような本来的な複屈折素子を
レーザ共振器に導入することにより結合の均一性が改善
される。

移相のこのような空間的な変化は、空８同内のモード分
布を変えることなく均一な結合を得るように基本モード
スポットサイズに比べて小さなスケールで行なうのが好
ましい。従って、実際には、レーザロッドに隣接した共
振器の端で光線を偏光消去することが必要とされる。

完全な偏光消去装置は存在しないが、偏光消去を行なう
技術は、ＯｐｔｉｃａｌＡｃｔａ、１９７１年、第１８
巻、第９号、第７１３−７１８頁にＳｃｈｍｉｄｔ氏及
びＶｅ船ｍ氏によって説明されている。本明細書に述べ
る技術は、既に述べたレーザに対する目的と共にＳｃｈ
ｍｉｄｔ氏及びＶｅｄａｍ氏の考え方にも基づくもので
ある。

従って、本発明は、２つの全反射器間の共振器内に配置
されたレーザロッドを具備しそしてこのレーザロッドの
鞠上に偏光器及びＱスイッチを備え、そして更に、上記
しーザロッドの鞠上に偏光消去レンズ組立体も備えたこ
とを特徴とする。

このレンズ組立体はしンズの集東力の変化を補償するズ
ームレンズでよい。本発明は多数のやり方で実施できる
が、本発明の特徴を完全に理解できるようにするために
、種々の実施例について説明する。

然し、本発明は以下に述べる特定の実施例に限定される
ものではない。添付図面において、 第１図は、中心から緑まで入／４の熱歪を有する直径６
側のレーザロッド間の結合変化をコンビュー外こよって
プロットした図である。

１／傘皮長プレートの方位角は１ｙである。

これに対応する強度分布が実際に分ろう。第２図は反射
手段としてミラーを用いた本発明の典型的な構成を示す
概略斜視図である。

第３図は偏光消去レンズ組立体の縦断面図である。

第４図は第２図に対応する図であるが、反射器として三
角プリズムを示した図である。

第５図は中心から緑まで入の熱歪を有する直径６肋のレ
ーザロッド間の結合変化をコンピュータによってプロッ
トした輪郭図である。

この場合に使用される偏光消去組立体は中心から縁まで
４＾の変化を有し、そして４５０の方位角に向けられる
。この偏光消去組立体によって導入される結合変化の空
間周波数は高く、レーザロッド内の熱歪によって生じる
付加的な変化は主作用ではなくて乱れを生じさせる。第
２図及び第３図に示された実施例においては、レーザロ
ッド１は１対の全反射ミラー２一２を有し、これらミラ
ーはしーザロッドの各側に１つずつ配置されてそれらの
間に共振器を形成し、この共振器内でレーザロツドは鞠
方向に整列され、然も一方のミラー２とロッド１との間
にはＱスイッチ３及び偏光プリズム４が挿入され、偏光
プリズムはしーザビームの角度出力を形成して周波数ダ
ブラ５へ送り、然も、このような組立体に通常用いられ
る一定の１／４皮長プレートの代りに、レンズ状の波プ
レート６が用いられている。

これは１対の離間されたレンズ素子７及び８で形成され
、少なくとも一方の素子は急激な半径方向移相変化を与
えるように選択された表面（又は両表面）曲率を有する
ように複屈折結晶物質（例えば水晶）から研摩され、そ
して偏光器の通過平面に対して４５ｏの方位角に向けら
れる。波プレートのレンズ作用を補償するため、第２の
レンズ素子は逆符号のものであり、偏光消去作用を更に
促進するようにこのレンズ素子も複屈折結晶物質で形成
される。更に、２つのレンズ素子７及び８が、それらの
離間程度を変えられるように構成された場合には、平均
入力が大きい際にレーザロッド１に誘起されるレンズ作
用を補償するように組合せ体の光学能力を変えることが
できる。

このようなシステムのコンピュータ模型においては、中
心軸に対する移相を適当に選択すれば、レーザビーム間
の結合が平均値で５０％に達することが示されている。
このようなシステムにおいて、方位角をパラメータとし
て、レンズ状の波プレート６の中心における相対移相に
対して平均結合をプロットした場合には、方位角４５ｏ
、中心移相０．３波長において最大の結合が得られるこ
とが分った。両レンズ素子が複屈折結晶物質である場合
には、中心軸に対する両レンズ素子間の移相の差は、最
大結合効率を得るためには約０．３波長でなければなら
ない。

考えられる別の変形態様としては、一方のレンズ素子を
光学的な回転体として作り、そして他方のレンズ素子を
レンズ状の波プレートとして作ることである。

光学的な回転体は、光学的な回転力を示す複屈折物質か
ら、レンズ軸が光学的に平行になるように、切断される
。波プレートはしンズ軸が光学軸に直角になるように切
断される。レーザロッドはせん光ランプ９によって付勢
される。上記した実施例のコンピュータ模型においては
、得ることのできる偏光消去の空間周波数が望ましい程
高くないことが示されている。これにより、結合性の低
いレーザロッドの面城が著しいものとなり、前記したよ
うに損傷を招くことがある。一般的に好ましい実施例で
ある第４図に示された第２の実施例では、プリズム１０
及び１１より成る交差式ポロプリズム共振器と共に偏光
消去ズームレンズ組立体６が用いられている。

交差式ポロ共振器の評価については、ポロプリズムの方
位角を正しく選択した場合にこの共振器は周囲方向に内
部ェネルギ分布を平均化する特性を有していることが示
されている。ポロプリズムの頂点角度が５５０ないし８
０ｏの範囲内にある場合に適当な平均化が得られ、そし
て６５ｏないし７５ｏの範囲内にある場合に最良の平均
化が得られる。

ポロプリズムを形成する物質としては、レーザロッド‘
こ隣接したポロプリズムに対して所望の結合度を得ると
共にＱスイッチに隣接したポロプリズムに対して所望の
レンズ作用防止性を得るものとして選択される。

更に、この物質の選択は、ポロプリズムの頂点角度を６
５０ないし７５０の範囲にすべきであるという条件も満
たすように行なわれる。偏光消去ズームレンズ組立体は
、このように交差式ポロ共振器と共に用いた時には、Ｎ
＝０、１、２・・・・・・・・・・・・とした場合に中
心の位相差がＮ＾であるように形成しなければならない
。

第１図 第２図 第３図 第４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 項に記載の平均入力の大きいレーザ。 ３ 上記レンズ素子は１つの正素子と１つの負素子を備
   えている請求の範囲第１項に記載の平均入力の大きいレ
   ーザ。 ４ 上記反射器は全反射能力を有するミラーである請求
   の範囲各項いずれかに記載の平均入力が大きいレーザ。 ５ 上記反射器は交差式プリズム共振器を形成するよう
   に構成されたポリプリズムである請求の範囲の前記各項
   いずれかに記載の平均入力の大きいレーザ。６ 上記素
   子の一方は光学回転体として構成されそして他方は波プ
   レートとして構成され、上記光学回転体は、光学的な回
   転力を示す複屈折物質から、上記レンズの軸が光学的に
   平行になるように、切断される請求の範囲第１項に記載
   の平均入力の大きいレーザ。