JPS6112211B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はレーザ技術、とくにレーザビームから
単一出力モードを選択する装置に関する。

レーザはある特定の波長において発振するコヒ
レントな光源またはエネルギ源として広く認識さ
れている。しかしながら、イオンレーザのような
レーザは、実際には前記の特定の公称波長を中心
とした、レーザ利得曲線とよばれるある出力波長
範囲にわたつて発振する。たとえば、6328オング
ストロームの公称波長で発振するヘリウム―ネオ
ン（He―Ne）レーザは実際には公称波長6328オ
ングストロームの中心点の前後に約1.5ギガヘル
ツ、すなわち0.02オングストロームの振動数の広
がりを持つ利得曲線内の任意の位置で発振する。
レーザキヤビテイは一種のフアブリ・ペロー干渉
計であるので、エネルギ出力は利得曲線からほの
めかされるような連続性のものではなくて、キヤ
ビテイ内の鏡の間隔によつてきまる、軸方向モー
ドといわれるいくつかの周波数通過帯域を含む。
通過帯域はｃ1/2だけ離れている。ここにｃは光
速で１はキヤビテイ内の鏡の間隔である。たとえ
ば長さ１メートルのキヤビテイでは通過帯域は
150メガヘルツ分離している。したがつて実際の
レーザ出力は互にこのような通過帯域だけ分離さ
れた多くのとびとびの波長の分布として示され
る。全部の出力波長はレーザ発振利得曲線全体に
分布している。たとえば、1.5ギガヘルツの発振
周波数の広がりと、１メートルの長さの光学キヤ
ビテイとを持つHe―Neレーザにおいては、150メ
ガヘルツの通過帯域間隔の約10本の分離した出力
放射がある。

多くの用途に対しては上記のような振動数スペ
クトルを持つレーザ出力放射は満足すべきもので
あるが、高分解能分光学およびホログラフイのよ
うないくつかの他の用途ではこれよりはるかに狭
い振動数分布が要求される。出力振動数スペクト
ルを狭めるこの要求は広帯域可調ダイレーザの発
展とともにとくに厳しくなつてきた。このダイレ
ーザは比較的広範囲の出力波長にわたつて発振す
ることができ、最大の使用効果を得るためには、
出力の帯域巾をできれば単一軸方向モードにする
何からの手段が必要である。またレーザ出力の全
振動数スペクトル内の任意の点においてこのよう
な単一軸方向モードを選択する手段を設けること
も望まれる。この機能は通常フアブリ・ペローエ
タロンとして知られる光学素子を用いることによ
つて行なわれる。従来技術においては、公知の型
のエタロンは、正確に互に平行な端面を持つガラ
スまたは類似の光学材料のブロツクを含む固体型
と空気またはガス離間型とを含む。これらの型の
いずれのエタロンにおいても、光路の垂線に対し
てごくわずか傾き、光路が貫通する２つの正確に
平行な面を含む構造になつている。これらのエタ
ロンの平行面は適当な間隔を持つていてそれらの
間に共振キヤビテイを形成し、ある振動数のビー
ムエネルギはエタロンを通過し、他の振動数のも
のはエタロンの面で内部反射されてレーザキヤビ
テイの光軸からそれてエタロンを通過するビーム
から除外される。

エネルギが再びレーザキヤビテイ内にもどるの
を防止するためにエタロンを傾けたとき、固有の
多重内部反射によつて、Arplied Physics誌、６
号、267〜72頁、1975年のWalter R.Leedによる
Losses Introduced by Tilting Intra―Cavity
Etalonsという論文およびその中に引用された文
献に述べられているように、ビーム中に「立ち去
り」（Walk―off）損失が起こる。周知の厚い固
体エタロンは、一定の屈折率と反射面間の比較的
大きな間隔とのために、立ち去り損失は低いが、
エタロンを同調させるのに必要な反射面間の間隔
の急速な変化を行なう手段を持たないことがわか
つている。通常の空気またはガス離間エタロンは
一般に互に間隔をとつて平行に並んだ１対の比較
的薄い板状ガラス部材を含んでいる。空気離間エ
タロンにおいてはレーザビームは両板を通過す
る。これらの板の外面には反射防止コーテイング
が施され、それらの向き合つた内面には部分反射
コーテイングが施されている。エタロンの板状部
材間の間隔を変えることによつてレーザの出力放
射の波長を容易に調節することができる。しかし
ながらこの通常の空気離間エタロンにおいては、
比較的薄い板状部材と、それらの間に空気または
ガス空間があることとによつて比較的大きな立ち
去り損失が起こる。この損失はダイレーザのよう
なある型のレーザに対して許されるものよりしば
しば大きい。従来の空気離間エタロンの一改良が
米国特許第3775699号に示されている。この特許
では光学素子は１対の間隔をとつたプリズムでで
きていて、それらの外面は反射防止コーテイング
を必要としないようにブリユースタ角に傾斜して
いる。この傾斜プリズム型のエタロンにおいては
レーザビームは２つのプリズム間の空間をそれら
の互に向い合つた２つの面にほとんど垂直な方向
に通過する。上記米国特許のエタロンは間隔をと
つた平行板のエタロンより光学的に効率がよい
が、いくつかの大きな欠点がある。１つの重大な
欠点はエタロンにはいるビームとそれを出るビー
ムとの間にかなりのずれが起こることである。さ
らに、上記米国特許に示されているようにプリズ
ム材料中において光の異なる波長の分散が起こる
ため、出力および入力ビーム間のずれは波長によ
つて変る。プリズムに固有のこの分散によつて、
各所望の波長において効率の高い発振を行なうた
めには、全エタロンを入射光ビームに対して異な
る角に傾ける必要があるので、広範囲の波長にわ
たつて用いるためには繰り返しエタロンの角度調
整をしなければならない。

本発明の目的は、レーザの公称出力波長のまわ
りに密に分布している複数のとびとびの波長か
ら、レーザの出力波長を選択するエタロンを得る
ことである。本発明の他の目的は、反射防止コー
テイングを必要とせず、レーザ光学系の効率を改
善するエタロンを得ることである。本発明のさら
に他の目的はエタロンにはいるビームとエタロン
から出るビームのずれを最小にした１対の間隔を
とつたプリズムでできたエタロンを得ることであ
る。本発明のさらに他の目的は異なる振動数を選
択するために同調でき、しかも立ち去り損失の小
さいエタロンを得ることである。本発明のさらに
他の目的はプリズム中の分散の効果を無視できる
まで減少させて本質的に色消しの装置を与える二
重プリズムエタロンを得ることである。

簡単にいうと、本発明は、公称波長のまわりに
密に分布した複数のとびとびの波長からレーザの
出力波長を選択する、レーザの光学キヤビテイ内
に設けられたフアブリ・ペローエタロンである。
このエタロンはレーザキヤビテイの光軸に沿つて
設けられた、レーザビームが貫通する１対の間隔
をとつたプリズムで構成されている。各プリズム
はエタロンの外方に面し、キヤビテイの光軸の垂
線にわずかに傾いた第１の面を持つている。この
第１面はエタロンの共振周波数を決定するエタロ
ン反射面で構成されている。各プリズムはまた第
１面に対して傾き、光学的に他方のプリズムの第
２面の近くでそれから離間されている第２面を含
む。

本発明のエタロンの実施例が第１図に示されて
いる。第１図はエタロンの軸線に沿つた鉛直断面
である。このエタロンを構成する２つのプリズム
が第２図に拡大して示してある。プリズムの間隔
と、レーザビームの変位と、プリズムの面に対す
るその角関係は図示のため大巾に誇張して示して
ある。

縦方向と光軸を通る鉛直面との両方について一
般に対称な本実施例のエタロンは、溶融シリカで
つくられた、リトロウプリズム２，２′のような
２つの間隔をとつたプリズムと、それらの装着構
体６とで本質的に構成されている。

エタロンの装着構体６は、動作上はレーザキヤ
ビテイ内に支持された外部ハウジング８と、２つ
のプリズムを支持する１対の調整装着構体とで構
成されている。光軸に垂直な面に関するエタロン
の縦方向の対称性のために、第１図におけるエタ
ロンの右側の装着構体とプリズムについて詳述す
る。左側の構成要素は実質的に右側のそれに対応
するので、左側の構成要素には右側のそれの参照
番号にダツシユをつけて示す。

プリズム２の装着には角度調整装着プレート１
０を用いる。プレート１０はそれを貫通し、ハウ
ジング８にねじ込まれる複数の調整装着ボルト１
２によつてハウジング８に取り付ける。プレート
１０の環状リツプ１４とハウジング８の円すい状
傾斜面１６との係合のために、種々のボルト１２
の締め方やゆるめ方を変えることによつて、プレ
ート１０とハウジング８との角関係を光学的整列
のために要求されるように調節することができ
る。

だいたいエタロンの光軸１８を中心としてプレ
ート１０を貫通して光路２０がある。この光路２
０とだいたい同心で光軸１８と小さな角度をなす
円筒形ガラスリング２２の一端がプレート１０に
取り付けられている。リング２２の他端にはリン
グ２２と同軸のピエゾ電気材料の円筒部材２４の
一端が取り付けてある。下記の目的で導線を取り
付けるために円筒部材２４の円外面はそれぞれ導
電面２６，２８としてある。部材２４の他端には
プリズム２と同様な熱特性を持つ溶融シリカでで
きたくさび形環状部材３０の一側が取り付けてあ
る。部材３０の他側にプリズム２が取り付けてあ
る。部材３０のくさびの角度は光軸に関してリン
グ２２の装着角を補償するように選ばれる。

第２図の２つのプリズム２，２′はこれらの間
の関係と、これらのプリズムとこのエタロンが用
いられるキヤビテイ中のレーザビームが通る光路
との関係とをよく示している。レーザビームはレ
ーザキヤビテイ中でエタロンを両方向から通過す
るが、この図ではレーザビームはエタロンにプリ
ズム２′を通つてはいり、プリズム２から出るも
のとして示してある。レーザビームはプリズム
２′の外に面した第１面４０′を通つてエタロンに
はいり、第２面４２′を通つてこのプリズムを出
る。ビームはそれからプリズム２の第２面４２を
通つてプリズム２にはいり、それから第１面４
０′に平行な外に向いた第１面４０を通つてこの
プリズムとエタロンを出る。簡単のために両プリ
ズムの向き合つてレーザキヤビテイの光路に沿つ
てとなり合つた第２面４２，４２′を「光学的に
となり合つた」面とよぶことにする。これらの光
学的にとなり合つた面４２，４２′は、１ミリメ
ートルの程度が好ましい間隔ｄを持つている。

第２図においてはプリズム２′の外面４０′はレ
ーザキヤビテイの光軸と整列したビームの垂線に
対して小角αだけ傾いている。この角度αは１度
より小さく、できれば数ミリラジアンの程度がよ
く、レーザエネルギが面４０′からキヤビテイ内
にもどつて結合するのを防止するのに必要な最小
角であることが望ましい。プリズム２の外に面し
た第１面４０も同様に角αだけ傾いている。第２
面４２′も第１面４０′に対して傾いていて、光軸
に対しては角βだけ傾いている。できれば光軸に
対する第２面の傾角βは、レーザの公称波長に対
して、数度のブリユースタの角に一般に等しいか
または少くともそれ以下であることが好ましい。
プリズムの第２面４２，４２′のこのブリユース
タ角のカツトによつてこれらの面に反射防止コー
テイングを施す必要がなくなり、系の効率を改善
する。しかしながらプリズムの外に面した第１面
４０，４０′には20パーセント広帯域反射コーテ
イングのような反射コーテイングを施すことが望
ましい。

面４２，４２′間の間隔すなわち空気ギヤツプ
は約１ミリメートルの程度に小さく保つて入射ビ
ームと出射ビームとの間のずれを最小にする。さ
らに、ビームはプリズムの一面にほとんど垂直に
はいり、他の面からはブリユースタの角で出、プ
リズム間の空気ギヤツプはきわめて小さいので、
プリズム中の分散の効果は無視できる程度に小さ
くなる。したがつてこの系は本質的に色消しであ
る。

２つのプリズム間の間隔を変えてエタロンを通
つてレーザ出力となる波長を選択することができ
る。第２面４２，４２′のブリユースタ角カツト
と、エタロンの全体の厚さに比較してこれらの両
間の間隔がきわめて小さいこととのために、この
エタロンは同程度の全体の厚さの固体エタロンと
実質的に同じ低い立ち去り損失特性を持つてい
る。しかしながら、エタロンを構成する２つのプ
リズムが分離しているために、これら２つのプリ
ズム間の間隔、したがつて２つの反射エタロン面
４０，４０′間の間隔を容易に調節してエタロン
を「同調」させることができる。

本実施例のエタロンを「同調」して異なる波長
を選択するためにプリズムのどちらかまたは両方
を互に近づけたり遠ざけたりすることができる。
この運動はプリズムを支承しているピエゾ電気部
材で行なわれる。ピエゾ電気部材２４，２４′の
接触子２６，２８または２６′，２８′に変化する
電位を選択的に印加することによりこれらの部材
の長さが選択的に変り、プリズム２，２′が互に
近づいたり遠ざかつたりする。ピエゾ電気部材は
入力電位によつて長さが調節できるので、選択調
整電位を印加することによつてプリズムを一定量
動かすことも急速な運動をさせることもできる。
２つのプリズム２，２′の間隔を変えることによ
つて２つの反射エタロン面４０，４０′の間隔も
同様に変えられ、エタロンのｃ1/2共振周波数が
変わる。エタロンの共振周波数を変えることによ
り光の選択的に異なる振動数または波長がエタロ
ンを透過し、選択的に他の振動数または波長がエ
タロンによつて反射されてレーザの光軸からはず
れる。したがつてレーザの出力波長は選択的発射
波長内の軸方向モードに限定され、予め選択され
たスペクトル範囲にわたつてレーザの出力を制御
する。

以上本発明の好ましい実施例を示した。しかし
ながら当業者にとつては多くの変形は明らかであ
り、本発明の範囲内にはいると考えられるので、
本発明は上述の実施例に限定されるものではな
く、特許請求の範囲内にはいるものはすべて含
む。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のエタロンとその装着構体との
エタロンの光軸に沿つた断面図である。第２図は
本発明の光学プリズムの全体的な形状と配置とを
示す図である。 ２，２′…プリズム、６…プリズムの装着構
体、８…ハウジング、１０，１０′…装着プレー
ト、１８…光軸、２０，２０′…光路、２２，２
２′…ガラスリング、２４，２４′…ピエゾ電気部
材、２６，２６′，２８，２８′…導電面（接触
子）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ レーザの光学キヤビテイ内に設けられた、公
   称波長のまわりに密に分布した複数のとびとびの
   波長からレーザの出力放射の波長を選択するフア
   ブリ・ペローエタロンであつて、前記キヤビテイ
   の光軸に沿つてわずかな間隔をとつて設けられた
   レーザビームが通過する１部のプリズムを備え、
   各前記プリズムは前記エタロンの外方に面する第
   １面を有し、前記第１面は他方のプリズムの第１
   面と平行に前記光軸の垂線に対してわずかな角度
   だけ傾いており、前記プリズムの第１面は前記エ
   タロンの共振周波数を決めるエタロンの反射面を
   構成し、各前記プリズムの第２面は他方のプリズ
   ムの第２面と光学的に間隔をとつて隣接し、各前
   記第２面は各第１面に対して傾斜しており、それ
   により当該エタロンは厚い固体エタロンの低い立
   ち去り損失特性を持つが、エタロンの同調を容易
   にするためにエタロンの反射面間の間隔を容易に
   調節することができるフアブリ・ペローエタロ
   ン。 ２ 特許請求の範囲第１項記載のエタロンであつ
   て、各前記プリズムの第２面は前記キヤビテイの
   光軸に対して前記レーザの公称波長に対するブリ
   ユースタ角にほぼ等しい角だけ傾斜しているエタ
   ロン。 ３ 特許請求の範囲第１項記載のエタロンであつ
   て、前記プリズムの第１面の傾斜角は数ミリラジ
   アン程度であるエタロン。 ４ 特許請求の範囲第１項記載のエタロンであつ
   て、各前記プリズムの第１面には部分的反射コー
   テイングがあるエタロン。 ５ 特許請求の範囲第１項記載のエタロンであつ
   て、前記複数のとびとびの波長の１つから他の１
   つに前記レーザ出力放射の波長を選択的に変える
   手段を含むエタロン。 ６ 特許請求の範囲第５項記載のエタロンであつ
   て、前記出力放射の波長を変える手段は前記エタ
   ロンの光路長を選択的に変える手段を含むエタロ
   ン。 ７ 特許請求の範囲第６項記載のエタロンであつ
   て、前記エタロンの光路長を変える手段は前記プ
   リズム間の間隔を選択的に変える手段を含むエタ
   ロン。 ８ 特許請求の範囲第７項記載のエタロンであつ
   て、前記プリズムの間隔を変える装置はだいたい
   前記光学キヤビテイの縦方向に延びて前記プリズ
   ムの１つが取り付けられるピエゾ電気材料の部材
   を含み、前記ピエゾ電気部材の長さは印加電位の
   変化によつて変り、前記ピエゾ電気部材はそれに
   選択的に調節しうる電位源を接続する手段を具備
   し、前記ピエゾ電気部材に印加される電位を予め
   選択された範囲にわたつて調節することによつて
   前記ピエゾ電気部材の長さ、したがつてそれに取
   り付けられたプリズムと他方のプリズムとの間隔
   が変化し、そのために前記エタロン共振反射面間
   の間隔が変り、もつて前記エタロンは選択的に異
   なる波長のビームを前記キヤビテイの光軸からは
   ずれるように反射し、レーザの出力放射の波長を
   予め選択されたスペクトル範囲にわたつて制御す
   るエタロン。