JPS6116585A - 光共振空洞を持つ面ポンプ型長方形厚板レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明はレーザ媒質が長方形の断面を持つ厚板（スラブ
）であるレーザ装置に関するものであり、また長方形厚
板とともに使うために光空洞を最適化したレーザ装置に
関するものである。

従来技術の説明 活性媒質として方形厚板を使用した従来のレ−ザは面ポ
ンプ型であり、ポンピング源は２つの横方向面に隣接し
て配置された適当なスペクトルを有するフラッシュラン
プである。従来の面ポンプ型レーザでは、レーザは光空
洞の中に段けられ、厚板の端面はレーザ・ビームの出入
面となる。通常、レーザ厚板は側面から見たとき平行四
辺形または台形状に切断され、面の角度はブルースター
（Ｂ　ｒｅｗｓｔｅｒ　）角で切断することによりｒＰ
Ｊ偏光の光を最小限の損失で完全に受は入れるようにに
されている。ビームは厚板の軸上に導入され、入射ビー
ムは下側横方向に向って回折され、次いで上側横方向面
に向って反射されるという様に続いて、他方の端面から
通常は同じ線の延長上にあって、それと一致して出て来
る。

面ポンプ型厚板レーザの出力はレーザ厚板の体積その熱
消散特性によって制限される。出力パワーを増大させる
ためには、レーザ厚板の体積を大きくすることはできる
。しかし、断面が正方形のままであれば、熱が通過しな
ければならない材料の厚さが大きくなるので熱消散性能
が悪化する。

これに対し、熱が通過しなけばならない厚さを増大する
ことなしに厚板の体積を増大させた長方形の断面では熱
消散性能が向上する。原理的には、幅寸法を著しく増大
することかでき、そして厚板の大きい方の横方向面に付
加的なフラッシュランプと付加的な冷却を加えることに
より、出力ビームがそれに比例して増加できる。断面が
長方形の厚板を選択した場合、光共振器とレーザ厚板と
の間を効率よく結合し、同時に良好な出力ビーム品質を
維持しな（プればならない。

発明の要約 したがって、本発明の１つの目的は出力パワーを向上し
た面ポンプ型厚板レーザ装置を提供することである。

本発明のもう１つの目的は出力効率を向上した面ポンプ
型厚板レーザ装置を提供することである。

本発明の更にもう１つの目的は改良された光共振器をそ
なえた長方形の厚板を使用する面ポンプ型厚板レーザ装
置を提供することである。

本発明の更にもう１つの目的は高性能でビーム品質を向
上した光共振器をそなえる長方形の厚板を使用した面ポ
ンプ型厚板レーザ装置を提供することである。

本発明の上記の目的およびその他の目的は、長方形断面
の利得媒質の厚板、光ポンピング手段、および新規な共
振形光空洞を含む新規なレーザ装置により達成される。

光軸を通過する、厚板の大きい方の横方向面に平行な平
面が装置の「Ｓ」平面を規定し、そして厚板の小さい方
の横方向面に平行で、光軸を通って伸びている平面が装
置の［Ｐコ平面を規定する。光ポンピング手段は厚板の
大きい方の横方向面に結合することによりビームを励起
することができる。

新規な共振形光空洞は、「Ｓ」平面において有限の曲率
半径（Ｒ＋’　）を有する第１の凸面円柱・鏡、おＪ：
びこの第１の鏡から距離したけ隔たった曲率半径がＲ２
の第２の凹面球面鏡を有する。

ｒＰＪ平面内にあるビームの寸法（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ
　）において安定な共振ビームを形成し、「Ｓ」平面内
にあるビームの寸法において不安定な共振ビームを形成
するように変数Ｒ１，’Ｒ２およびＬが選択される。レ
イジング（ｌａｓｉｎｃｌ）のために充分な利得を得る
ように、また最大エネルギ抽出のために厚板中の実効活
性エネルギ抽出体積を増大するように設計が最適化され
る。

装置には更に、第２の鏡と厚板との間にアパーチャ（ａ
ｐｅｒｔｕｒｅ）が設けられ、その縁はＳ平面に平行な
平面内に配置されることにより、Ｐ平面内にあるビーム
要素に対するビーム品質を向上する。

好ましい実施例ではアパーチャばＰ平面内にあるビーム
要素に対し１より大きく４より小さいフレネル数を与え
、装置（すなわち厚板）はＬ＝１メートルの場合に１３
．５Ｘ３．５ミリメートルのビーム寸法に対応する、Ｐ
平面内にあるビーム要素に対し１０より大きいフレネル
数を与える。

レーザ出力ビームは空洞内に設置された複屈折素子と偏
光子から、または部分反射性端部鏡を使うことによって
得ることができる。装置ば長パルス・モードまたはＱス
イッチ短パルス・モードで妥当なビーム品質で動作する
ことができる。長パルス・モードでは１パルス当り１ジ
ユ一ル程度の出力が得られ、Ｑスイッチ・モードでは、
Ｎｄ：ＹＡＧを使ったときは０．６５ジユ一ル以上の出
力、Ｎｄニガラスを使ったときは１ジユ一ル以上の出力
が得られた。

本発明の新規な特徴は特許請求の範囲に示しである。し
かし、以下の説明と図面により本発明自体と本発明の上
記以外の目的と利点が明らかとなろう。

好ましい実施例の説明 第１Ａ図および第１Ｂ図に示すように本発明の一実施例
によるレーザ装置は、厚板の形の利得媒質を含む安定／
不安定光共振器を有し、装置はポッケルスセルによりＱ
スイッチ・モードで動作する。

このレーザ装置は発振器または増幅器として動作させる
ことができるが、装置は長方形断面の利得媒質の厚板１
０、厚板の大きい方の横方向面に隣接して配置された光
ポンピング手段１１、光空洞の一端を形成する第１の凸
面円柱鏡１２）光空洞の他端を形成覆る第２の凹面球面
鏡１３、ならびに光共振器をＱスイッチングしてＱスイ
ッチ・モードで動作さ氾るためのポッケルスセル１４お
よび偏光子１５を含んでいる。偏光子１５はレーザ装置
の出力ビームが得られる点でもある。

第１Ａ図および第１Ｂ図に示すようにレーザ装置の光学
素子は光軸（Ｚ軸）に沿って配置される。

図の左から右・＼の順番で、ポッケルスセル１４が２番
目にあり、偏光子１５が次にあり、厚板１０がそれに続
き、凸面円柱鏡１２が最後にある。この５つの素子は以
下に更に詳しく説明するように間隔を置いて配置される
。垂直限界のある随意選択によるアパーチャ３０を素子
１３と１４との間に設けることができる。空洞の長さＬ
１凸面内柱鏡１２の半径Ｒ１、および凹面球面鏡１３の
半径Ｒ２が光共振器を規定する。この光共振器では、ビ
ームの垂直寸法において安定な動作が達成され、ビーム
は１寸法において装置の７パーチヤを超えて広がること
が防止される。そして水平寸法において不安定な動作が
達成され、ビームはＳ寸法において装置のアパーチャを
超えて広がることが許される。

第１Ａ図および第１Ｂ図のＰ軸およびＳ軸は、Ｚ軸のま
わりの厚板１０の回転配置方向（ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ
　０ｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）によって設定されるが、こ
のＰ軸とＳ軸はビームの垂直寸法と水平寸法の両方を規
定し、これにより光学装置の非偏光感応部材の回転配置
方向を定めるだけでなく、レーザ装置の偏光感応部材の
回転配置方向を定める偏光成分をも規定する。厚板１０
の大きい方の横方向（第１Ａ図および第１Ｂ図の上側の
面および下側の面）がＳＺ平面を規定する。ＳＺ平面は
上側の面と下側の面に平行であって、装置の光軸を通る
平面と定義される。厚板の小さい方の横方向面がＰＺ平
面を定める。ＰＺ平面はこれらの面に平行であ、つて、
装置の光軸を通る平面と定義される。したがってレーザ
装置の光軸に沿って進むビーム又は光線の説明に便利な
ように、Ｐ偏光はＰＺ平面に平行であり、Ｓ偏光はＳＺ
平面に平行であると見なすことができる。

次に再び第１Ａ図と第１Ｂ図のレーザ装置の動作を考え
ると、光ポンピング手段１１がレーザ厚板の活性媒質に
１分布反転」を生じさせ、高エネルギ状態の電子の数が
低エネルギ状態の電子より多くなると考えることができ
る。ポンピングの結果、励起された高エネルギ状態と低
エネルギ状態との間の電子の遷移による自然放出として
厚板の中で放射が始まる。この放射は波長が正確で、潜
在的にコヒーレントな性質を持つ。

装置の光軸に平行に厚板の端面１６および１７を出る光
線が光字洞内で利用される。厚板中を通るこれらの光線
の内部径路は第１Ａ図に示しである。側面から見たとき
図示のように厚板は平行四辺形であり、端面は装置の光
軸に対して「ブルースター角」を形成するように設定さ
れている。このように切断した効果として、厚板１０の
左側の面に入るＰ偏光のすべての光は反射損失なしに厚
板に入る。更に、Ｓ偏光の光のかなりのパーセント（た
とえば２０％）は反射されて失なわれる。

装置の光軸に沿って進み、左側の面１６の中点で厚板１
０に入る光線の径路を第１Ａ図に示す。入射する光線は
く第１Ａ図および第１Ｂ図の配位とした揚台）最初厚板
の下側の面に向って下向きに反射され、次に上向きに反
射され、続いて下向き上向きというように繰り返し反射
され、最後に下向きの反射が生じる。厚板の右側の而１
７の中心で光線が厚板を出て、再び装置の光軸に沿って
進む。（右から左に進む帰りの光線は同じ径路をたどる
。） 厚板１０の端面の偏光選択動作の観点から、厚板は光共
振器を進むＰ偏光の光線に光学的に結合されたものと考
えることができる。周知のように、光空洞または光共振
器は通常その間に活性（レイジング）厚板が設置された
２つの反射鏡から構成され、これにより光は活性物質を
繰り返し通過、して、励起状態からエネルギを抽出する
ことができる。注意深く実行すれば、厚板内で作られた
光線は単一波長のコヒーレントな光ビームを形成する。

第１図の構成で厚板１０の右側の面を励起した光線は装
置の光軸に沿って右側に進み、１００％反射性の被覆物
をそなえた凸面円柱鏡１２に達し、左向きに反射されて
厚板の右側の面に達する。垂直偏光のマーク２１はこの
径路の光線がＰ偏光であごととをあることを表わす（こ
れらのマークに小さな円を重ねて描いてないのはＳ偏光
の光線があまりないことを表わす）。円柱鏡１２の装置
の軸に対する配置方向は、ＰＺ平面に平行な平面内にあ
る円柱鏡の軌跡が直線となり、ＳＺ平面に平行な平面内
にある円柱鏡の軌跡が半径Ｒ１の円となるようになされ
ている。円柱鏡１２から左向きに反射された光線はＰ偏
光（２１）のままであり、厚板１０にその右側の面から
入る。第１Ａ図に示す内部径路をｌＣどった光線は厚板
の左側の面を出るが、これは偏光マーク２２で示すよう
にＰ偏光のままである。光線は左側に進み、誘電体偏光
子１５に入射する。偏光子１５は平坦な板であり、これ
は入射平面（入射光線とこの光線の偏光子面への投影に
よって定められる平面）に平行に偏光された光を（たと
えば９９％）通し、入射平面に直角に偏光された光を（
たとえば９９％）反射する。入射平面が光学装置のＰＺ
平面に平行になるように、装置の光軸に対して偏光子を
回転して位置を定める。したがって、右側から偏光子に
入ったほぼ純粋なＰ偏光２２の光線は偏光子１５を左側
に通過し、ポッケルスセル１４に達する。垂直マーク２
３はＰ偏光を表わす。

ポッケルスセルはＰＺ平面、ＳＺ平面に対し予め定めら
れた回転関係で装置の光軸に中心が定められている。ｒ
ＰＺＪ平面、「ＳＺ」平面は以後それぞれｒＰＪ平面、
「Ｓ」平面と呼ぶことにする。ポッケルスセルはレーザ
装置の中の電子的に制御される光「シャッタＪを形成し
ており、電Ｂ；制御による結晶成分の電気光学的効果を
使用して光シャッタをオンまたはオフにする。第１Ａ図
および第１Ｂ図に示す′状態では、ポッケルスセルが電
気的に作動されていて、ポッケルスセルに向って左に進
む光線（２３）（その偏光は垂直な線で表わされる）の
偏光を、球面鏡１３で反射された後にポッケルスセルを
右方に出て偏光子１５に向って進む光線（２５）（その
偏向は円で表わされる）に対して正味９０°回転させる
。ポッケルスセルがこの活性状態にあるとき、偏光子１
５に当る光のほとんどずべて（たとえば９９％）が記号
２６で示すように共振器から放ｕ１される。光の放出に
よって、共振空洞の光学的なｒＱＪが低下し、「Ｑスイ
ッチング」はオフ状態となる。

Ｑスイッチング動作は外部電界の影響によってポッケル
スセルに現われる複屈折、すなわち電界が除去されたど
きに消滅する性質ににって左右される。複屈折拐わｌは
高速（ｆａｓｔ）伝搬軸と低速（ｓｌｏｗ）伝搬軸に対
応する直交偏光の光に対して２つの屈折率を示す。好ま
しい配位では、複屈折材料の電気光学軸とポッケルスセ
ルの中心を通る法線によって定められる平面はレーザ装
置のＰ平面に対して約４５°に配位される。換言すれば
、１、 複屈折材料の高速軸と低速軸は右から入射する光線２３
のＰ偏光に対して約４５°に配位されている。ポッケル
スセルを通過する際、光線の２つの直交成分は同じ径路
を通るが、Ｐ平面上のＰ偏光のトレース（ｔｒａｃｅ　
）はＳ平面上のＰ８光のトレ−スより前に、Ｚ軸に沿っ
て右に９０’移相される。２つの相互に移相された成分
の組合わせによりほぼ円偏光のビームが得られる。円偏
光の光線は同じ円偏光で左向ぎに進み、凹面球面鏡１３
に当る。球面鏡１３の中心は装置の光軸に置かれ、球面
鏡１３は光軸と直角に配置される。球面鏡１３は円偏光
（２４）を乱すことなくそれに入射する光線を反射する
。反射波が右に進むとぎ円偏光は維持され、ポッケルス
セル１４に戻る。二度目にポッケルスセルに入ったとき
、光線はまた複屈折動作を受ける。Ｐ平面に投影された
偏光光線の成分はＳ平面に投影された偏光光線の成分よ
り前に９０°移相されてセルを再び通過する。このため
移相は１８０°と２倍になり、２つの成分のベクトルの
再組合わせに基づいた合成ベクトルは、偏光円２５で表
わされるように水平Ｐ平面に対し９０°回転している。

ポッケルスセルの動作によって生じたこれらの光線２５
は誘電体偏光子１５に入射する。偏光子１５ばＳ８先の
光２６の殆んどすべてを出力光学系に放出し、レーザ動
作が防止される。

ポッケルスセルが作動されないものとづれば、レーザ装
置はレイジングを行なうが出力を生じない。すなわち、
印加電圧がゼロに低下されたとすれば、ポッケルスセル
は不活性状態に戻り、この状態ではポッケルスセルに右
から入ったＰ偏光の光（２３）はポッケルスセルの左側
からＰ偏光のまま出でいく。次にこの光は球面鏡１３か
ら反射され（まだＰ偏光のままである）光空洞を逆に進
み、ポッケルスはルに左から再び入り、右から出て、Ｐ
偏光２３のまま偏光子１５の左側の面に当る。偏光子１
５は右向きの光線のすべて（９９％）を通して厚板に送
り、あたかもポッケルスセルが存在しないかのにうにレ
イジング動作が継続する。

ポッケルスセルをこのように設定すると、出力に放出さ
れるＳ＠光の光は実質的に何もない。この状態では、レ
ーザは最大のパワーで動作するが、発生出力は無視でき
る程小さい。

２回の通過に対して９０’の位相回転を生ずる電圧とゼ
ロ電圧との中間の電圧がポッケルスセルに印加されたと
き、通常のレーザ出力が生じる。

これにより出力偏光が生じ、空洞内に特定のパーセント
の帰還が設定され、特定のパルセンｉ〜の光が出力に放
出される。ポッケルスセルの代表的な設定状態では、偏
光子１５に入射する放射の４０％が出力に放出され、６
０％が共振器内の次の要素へ通される。これはポッケル
スセルを一回通過するたびに約４５°の移相（２回の通
過で９０゜の移相）生じ、偏光子の入力にほぼ円偏光を
生じさせる。

通常のＱスイッチ動作では、ポンピング手段１１は毎秒
数回（たとえば１０回）点灯するフラッジ−１ランプで
ある。各フラッシュによって約７０マイクロ秒後に光ピ
ークが生じ、全体の持続時間は約１００マイクロ秒とな
る。厚板の蓄積エネ°ルギはフラッシュランプの点火か
ら約１２０マイクロ秒後にピーク値になる。ポンピング
により厚板内に最大エネルギ蓄積が達成されるまでＱス
イッチはオフ状態に維持され、次いでＱスイッチが作動
されてレイジング動作を行う。Ｑスイッチの作動から約
５０ナノ秒後に、２０ナノ秒乃至３０ナノ秒のレーザ・
パルスが生じる。レーザ・ビームの強度が最大強度に対
して小さなパーセントの値に低下するまでＱスイッチは
オンの状態にとどまる。小さなパーセント値に低下した
後、Ｑスイッチはそれ以後レイジングを行なわせないよ
うに動作する。レーザ出力を単一の出力パルスに集中さ
ゼるため、Ｑスイッチのタイミングは１つのレーザ・パ
ルスではなく２つのレーザ・パルスを形成しないように
セラ１〜される。

第１Ａ図および第１Ｂ図の装置の随意選択的な部品とし
て、ポッケルスセル１４と凹面球面鏡１３との間の位置
に例示されたアパーチャ３０が設けられる。アパーチャ
３０は球面鏡１３によって平行化された平行ビームを、
厚板を介して他の鏡に戻すかまたは出力として放出する
前に遮る。図示されたようにアパーチｐ３０はその中心
が光学系の軸上に設置され、またその上下の境界がＳ平
面に平行となり、光ビームの小さな安定軸を定めるよう
に回転配置される。アパーチャは普通、光ビームの不安
定な大きな軸に影響を与える可能性のある、Ｐ平面に平
行な限界（制限物）はない。

垂直開口はＰ平面で測って最適なビーム品質が得られる
ように設定され、そして垂直開口の大きさは平行化され
たビームが出力として通されるとき、または厚板に戻る
ときのそのビームの垂直寸法を設定する。代表的なこの
寸法は厚板の垂直寸法のほぼ半分に相当する３、５１１
１１１１（ミリメートル）である。アパーチャはＰ平面
に存在するかも知れない高次のモードを低減し、その平
面内に実質的にガウスＴＥＭｏｏビームを設定する。高
次モードの除去は位相と振幅の両方に影響する複合的な
方法で出力ビームの波面の品質を改善する傾向がある。

共振器の不安定軸に沿って横方向のアパーチャ（本明細
書では示唆されていない）を設けると、出力ビームに付
加的な縞（すなわち、フレネル回折効果）を生じて出力
ビームの品質を低下させるという悪影響を生じる。

これまで説明した本発明の実際の例では、厚板は長さ１
３９．３７ｍｍ、幅約１５ｍ＋ｎ、厚さ約８ｍｍのＮｄ
　：ＹＡＧ厚板レーザであり、その端部はブルースター
角で切断されている。厚板は長さくＬ）が１メートルの
光空洞の中に配置される。凹面球面鏡１３の曲率半径（
Ｒ２）は６メートルであり、凸面円柱鏡１２の曲率半径
（Ｒ１）は４メートルである。

先具振器空洞はレーザ・厚板内の自然放出によって生ず
るレーザ・ビームを限定する。前）ホした通り、光空洞
は垂直方向に安定であり、これはビームが装置のアパー
チ１７を超えて垂直方向に（すなわち２寸法が）広がる
ことが防止されるということを意味する。１光空洞は水
平方向に不安定であり、これはビームが水平方向に（す
なわちＳ寸法が）広がることができ、装置のアパーチャ
を超える要素が失なわれるとい）ことを意味する。

ビーム形成は次のようにして視覚化することができる（
共焦点動作を想定する）。厚板から凹面鏡に進むビーム
要素は、たとえ発散していたとしても、反射されてほぼ
平行化された状態になって厚板に向って逆向きに進む。

この平行化されたビームは逆向きに厚板を通って（更に
増強された）後、円柱銀に当る。ここで、ビームの垂直
寸法は一定に保たれるが、ビームの水平寸法は広がる。

したがって、垂直方向に平行化され、水平方向に広がる
ビームは円柱銀から厚板を経て（更に増強され）、再び
球面鏡１３に当る。このビームは球面鏡で再び平行化さ
れ、厚板を介して円柱銀に戻され、更に水平方向に拡大
される。このプロセスによって徐々に、ビームの横方向
の限界が光学系の自然アパーチ１１を超えて広がって、
失なわれる。

しかし、ビームの垂直限界はほぼ一定の大きざにとどま
る。

光共振器の安定軸はＰ平面に入る。これは垂直軸上にあ
って、Ｐ平面内にあるビーム要素を形成する光線が装置
のアーパーチャからはみ出ること°がないことを意味す
る。共振器の安定度は安定（Ｐ）軸に対してｍＧｐによ
って規定される。安定であるためにはＧｐ≦１である。

Ｐ平面内で安定軸上にあるビーム要素に対し、共振器は
平坦な鏡（１２）と半径Ｒ２Ｐ＝６メートルの鏡（１３
）で構成される。これは安定度計数Ｇｐ≦１であること
を示す。Ｇｐは次のように定義される。

Ｇｐ−（１−Ｌ／Ｒ＋　ｐ　）　　（１−１−／Ｒ２Ｐ
　）こ）で、Ｒ＋ｐ＝ｏｏ（Ｐ平面では平坦であるため
）Ｒ２Ｐ＝６メートル、および Ｌ＝１メートル。

式に数値を代入すると、 Ｇｐ＝　（１）（１−１／６）＝０．８３３したがって
、安定であることがわかる。

光共振器の不安定軸はＳ平面内に入る。これは水平軸上
にあってＳ平面内にあるビーム要素を形成する光線が装
置のアパーチャからはみ出ることを意味する。ビームの
はみ出しの結果として若干損失が生じるが、ビームの品
質も向上する、１共振器の安定度は不安定（Ｓ）軸に対
して倒Ｇｓによって定められる。ここで安定であるため
にはＧｓ＞１である。Ｓ平面内で不安定軸上にあるビー
ム要素に対し、共振器は半径Ｒ＋　ｓ　＝４メートルの
凸面鏡（１２）、半径Ｒ２５＝６メートルの凹面鏡（１
３）で構成される。これは安定度係数Ｇｓ＞１であるこ
とを示す。Ｇｓ次のように定められる。

Ｇｓ　−（１−Ｌ／Ｒ＋　ｓ　＞　　（１−Ｌ／Ｒ２Ｓ
　）＝　（１＋１／４）（１−１／６） −（５／　４．）・（５／６）＝２５／２４−１．０４
２前述したように、共振器は不安定軸中に共焦点がある
。詳しくは Ｆ＋　ｓ　＋Ｆ２　ｓ　＝Ｌ ここで、Ｆ＋ｓ＝３ｍ（メートル）、Ｆ２Ｓ＝−２ｍ　
、Ｌ＝１ｍであり、共焦点は空洞の外側に置かれる。共
焦点構成の１つの利点は偏光子１５によって出力に放出
される凹面球面鏡からの光線がほぼ平行化されていて、
付加的な再集束が必要でないということである。

光空洞の倍率（Ｍ＞は次のように凹面鏡の曲率半径と凸
面鏡の曲率半径との比である。

Ｍ＝Ｒｚ／Ｒ＋＝６メートル／４メートル＝１．５ 光空洞のアパーチャの大ぎさの尺度は「フレネル数」で
る。これはレーザ波長において使用可能なアパーチャ両
端間のフレネル縞の数に等しい。

１３．５ｘ１３．５ｍｍのビームの大きさは次（７）７
レネル数に相当する。

Ｎｆｚ＝ａ＋２／λＬ −２，８８（安定垂直軸で測定して） −４２，８２（不安定水平軸で測定して）こ）で、ａｌ
はアパーチャの大きさの半分、λは放射の波長である。

第１Ａ図および第１Ｂ図の装置が発生するビームは断面
が長方形であり、外見上、水平方向に拡大されたＴＥＭ
ｏｏモードに似ている。出力ビームはＱスイッチ動作で
は０．６５ジュール以−ヒの高エネルギのビームである
。ビームにより掃引される厚板の全体積は、空洞内のビ
ームの大ぎさ１３．５ｘ３．５ミリメートルに基づいて
、約６立法センナメートルと見積られる。この装置のＱ
スイッチ抽出効率は通常の値が３０％乃至４０％である
のに対して５０％以上である。

安定／不安定設計による蓄積エネルギの使用効率の向上
は第３図から明らかである。第３図に示ず結果は実験的
に得られた。従来の共振器は不安定共焦点構成であり、
Ｎｄ：ＹＡＧ厚板レーザを用い、倍率は２）凹面球面鏡
の半径は４メートル、凸面球面鏡の半径は２メートルで
あった。本発明による安定／不安定共振器では半径２メ
ートルの凸面球面鏡のかわりに半径２メートルの凸面用
柱鏡を使用した。共振器空洞の長さは１メートルであり
、アパーチャはビームの大きさが１３．５Ｘ４、ｍｍと
なるように設計された。第３図は、長パルス・モード動
作を行ったとき、４０乃至１００ジユールの範囲のポン
ピングに対し、従来の不安定共振器が０．０８乃至０．
６５ジユールの出力エネルギを発生ずることを示してい
る。同様の条件下で、安定／不安定共振器は０．１５乃
至０．９５ジユールの出力エネルギを発生し、著しい改
善を示している。倍率が低下するにつれて出力エネルギ
の使用効率が更に若干向上するのが普通である。これは
ビームの発散で若干損失を生じるので、倍率を１．５以
下に下げたときの出力エネルギの向上はこれらの他の要
因と調和させなければならない。

第４図には、第１Ａ図および第１Ｂ図の実施例のジュー
ル単位の出ツノエネルギと立法センナメートル（Ｃ：ｍ
３）当りのジュール（Ｊ）単位の蓄積エネルギとの関係
が示しである。前に説明した通りの倍率は１．５であり
、装置は長パルス・モードとＱスイッチ・モードの両方
で動作させた。長パルス・モードでは、３９％、５８％
、および７０％に対応する出力反射率が得られるように
別々のポッケルスセルのバイアス電圧が用いられた。後
の方の値が最高のエネルギ出力を生じる。Ｑスイッチ・
モードでは、４０％の反射率に対応する設定値が用いら
れ、動作の上限で、６０ジユールのポンピング・エネル
ギからレーザ厚板内に１立方センチメートル当り０．２
ジユールの蓄積エネルギが得られた。前述の通り、出力
エネルギは約０゜６７ジユールであった。

安定／不安定共振器の設計により、良好なビーム品質を
維持しつつ、長方形の厚板を使用した同等の設計に比べ
てより大きな出力が得られる。１つの軸におけるビーム
の寸法が厚板の厚さと同等の単一の横（ｔｒａｎｓＶｅ
ｒｓｅ）ビームを発生することができた。これは部分的
に、厚板を伝搬する光線が横方向主面相互の間をくり返
し反射されるようになっている厚板のジオメトリイ（形
状）の特性である。厚板の上側および下側の横方向面の
間で相次いで反射してビームが伝搬する際、熱的レンズ
効果が打消される。共振器の１つの軸に沿った倍率（お
よび不安定動作）の使用を含む空洞の光学的設計もこの
出力の増大に役立っている。

倍率を使ってビームをレーザ厚板の主面に平行に拡大す
ることにより、ビームの断面積がかなり増大し、出力パ
ワーを著しく増大することが可能となるが、これを相殺
するような効率とビーム品質の損失が生ずる可・能性も
ある。したがって、倍率の増大は特定の用途に対して最
適化するような妥協点を見つけなければならない。本明
１ｉＩＩ＠で開示された２つの設計では、不安定軸で倍
率１．５および２が使用された。

第２図は倍率を増加したときの「振幅減衰係数」すなわ
ち固有値（γ）の増加の計算値を示す。空洞を通る１回
のパス当りの回折損失は（１−１γ１２）である。し／
ｊがって１に近いγは低損失状態を表わし、Ｏに近いγ
は非常に高い回折損失を表わす。第２図は安定／不安定
共振器と従来の不安定共振器との比較を示す。倍率は１
乃至３．５の範囲でプロットされている。（４ミリメー
トル幅の安定共振器に対する基本モード（’ｄｏｍｉｎ
ａｎｔ　ｍｏｄｅ　）の振幅減衰係数は殆んど１であり
、倍率にほぼ無関係になる）。４ミリメートル幅の不安
定共振器に対する基本モードの振幅減衰係数は倍率の増
加とともに急激に低下することが図かられかる。たとえ
ば倍率が２であるとすれば、従来の不安定共振器の振幅
減衰係数は約０．７９となる。

倍率１．５とすれば、従来の不安定共振器の振幅減衰係
数はずっと改善され０，８８となる。同時に、安定／不
安定共振器ではこれらの値は高く（良く）なる。すなわ
ち、倍率２の場合、振幅減衰係数は約０．８６であり、
倍率１．５の場合は０．９２となる。

安定度係数は変数ｒＧＪによって定められる。

その独立変数は反射鏡の位置と曲率である。倍率が１．
５の例では、ｒＧＪの値は１．２５であり、１より大き
いので不安定を表わす。安定度係数の意味するところは
、多重反射のビームの個々の光線が光学系の境界を超え
て反射され、失なわれるということである。

Ｆ−に回折理論は光空洞を説明し、安定軸または不安定
軸に沿っての最初の光学的設計の手引きとなる。空洞は
同時に複数のモードを持続するものど考えることができ
る。固有関数（ｅ；ｇｅｎｒｕｎｃｔｌｏｎ）として知
られているこれらのモードは外見、並びに位相および振
幅について良く知られている。

これらのモードは３つの文字Ｔ　Ｅ　Ｍ　（Ｔ　ｒａｎ
ｓｖｅｒｓｅ　Ｅ　１ｅｃｔｒｏ　　Ｍａｇｎｇｔｉｃ
　Ｗａｖｅを表わす）にモ・−ド順位の添字を付けたも
ので表わされる（たとえ開 ば、ＴＥＭｏ　ｏ　、ＴＥＭｏ　＋　、ＴＥ３ｆｔ　ｏ
等）。

固有関数の２つの独立パラメータは前に説明したフレネ
ル数とＧ数である。複合ビームの中のこれらのモードの
相互関係は固有値（γ）によって表わされる。これは（
前述した）振幅減衰係数を表わす複素量である。この固
有値は与えられたモードの振幅と位相を光共振器のパラ
メータの関数として表わす。

通常のビームでＴＥＭｏｏモードを希望する場合、二次
モードからある程度の寄与を期待することができる。個
々のモードは異なる振幅と位相を有しているので、異な
るモードがビームに寄与する場合にはビーム品質のため
に個々のモードの位相と振幅のを両方を制御しなければ
ならない。理想的には、パワー損失式１−（γ）２の中
でγとして現われる固有値は基本モードでは１に近くな
ければならず、望ましくない高次モードではゼロに近く
なければならない。したがって、安定な光空洞の中で形
成されるビームの古典的なステートメントは複数の積（
γ。　Ｕ、）で表わされる。

ここで、γは固有値、Ｕは固有関数、添字ｎは問題のモ
ード順位を表わす。

良好に設計されたレーザ装置では、複合ビームがぽは一
定の振幅とほぼ一定の位相面を持つこと　−が要求され
る。古典的な共振器の安定軸に沿って、固有値の大きさ
は固有モードの鹸位の増大によりその移相が変わるにつ
れて小さくなり、複素平面に渦巻形の軌跡を形成し、そ
の中心に移動してゆく。フレネル数が減少するにつれて
、固有値の大ぎざの減少速度が大きくなる。したがって
、モードの選択度が大きくなる。フレネル数が大きい場
合、固有値は複素平面の中の単位円に向って移動し、モ
ード選択度が低下する。このようにして、設計者は効率
とパワーをより高く′？ｌ−るためにより大きいフレネ
ル数を使いたいと思うが、通常もつと小さなフレネル数
に拘束され、望ましくない高次モードを抑圧するために
アパーチャを用いるように拘束される。本発明の実施例
では、ビーム品質をあまり劣化させることなく設計者は
安定軸に沿って４程度のフレネル数を使用することがで
きた。

不安定モードについては、固有モードと固有値γの両方
の概念とも不完全である。モードの説明は正確ではない
。というのは、有限回数（Ｑスイッチ動作の場合は１０
程度）の反則の後、かなりの数の光線が反射されてシス
テムの外に出されて失なわれるからである。したがって
ｍ「γ」は回折損失とビームの１はみ出し」の混合を表
わしている。しかし、モード構造は数値積分が可能であ
り、固有値のフレネル数に対する従属関係の整然とした
パターンがないということを示す。したがって、より大
きなフレネル数がモード抑圧に不満足であると考えられ
るかも知れないが、前に述べたように倍率を注意深く使
えば得られるフレネル数は４３に達する。

本発明による安定／不安定共振器は第１Ａ図および第１
Ｂ図に示すＱスイッチ短パルス・モードまたは長パルス
・モードで動作させて良好な品質のビームを作ることが
できる。Ｑスイッチ動作では、安定共振器は実際上、望
ましくない高次モードを抑圧するのに好都合なモードを
設定するために必要な時間によって左右される。本発明
による安定／不安定共振器では、妥当なビーム品質を有
しながらパワーを向上することはＱスイッチ短パルス・
モードで実用できた。長パルス・モードでは、この改良
は設計の軸外ビームのはみ出しにより特に著しいものと
なる。

本発明はＮｄ　：ＹＡＧならびにＮｄガラス厚厚板レー
ザ科料使用された。高利得と中利得の両方のレーザ材料
で動作することを想定して設計されている。代表的な高
利得材料を使えば、損失が過大になる前に１より大きく
約３までの倍率が可能となる。低利得材料はど低い倍率
を必要とする。

第１Ｃ図は最初の実施例の変形を示し、第１Ａ図および
第１Ｂ図のポッケルスセル１４のかわりに四分の一波長
板３１を用いてレーザ装置の長パルス動作を達成してい
る。四分の一波長板３１はＰ、Ｓ座標軸に対して所望の
角度回転されていＣ１（凹面球面鏡１３から反射された
）ビームの所、留置を出ノ〕に反則させ、ビームの所望
用を厚板に透過させて空洞の中を再循環させる。

これまで説明してきた構成では、出力ビームは光空洞の
中に設置されたポッケルスセルまたは四分の一波長板ど
相合わせた誘電体偏光子から得られる。四分の一波長板
は空洞内のビームをさえぎって、その一部を空洞の外に
放出して出力ビームとし、また一部を空洞内の次の素子
に透過して空洞内で再循環させる。誘電体偏光子が凹面
球面鏡１３から反射したビームを取出す場合、平行化さ
れたビームが取出され、これは出力光学系を簡単にする
。勿論、円Ｕ補正を導入すれば球面鏡からビームを取出
ずことができ、あるいは、両端の反射鏡として反射率が
１００％より小ざな表面を用いると、１！１２．１３の
１つを透過したものを出力ビームとして取出すことがで
きる。この最後の場合、一方の端部の鏡の反射率と透過
率とにより空洞内にとどまる光エネルギ量と放出されて
出力ビームとなる光エネルギ量がきまる。

これまで説明してきた構成では、光学系の主座標は厚板
１０に対して定められている。通常、その一方の端面の
中心点で厚板に入り厚板の他方の端部の中心点から出て
ゆくビームがレーザ装置の光軸を定める。通常、入射光
線の延長はほぼ田川光線と一致づるので、システムの光
軸は第一近似で直線である。光学系の軸は必らずしも直
線である必要はなく、光軸に直交する配置方向が維持さ
れていれば曲げたり折り畳んだ線でもよい。偏光選択の
ためブルースター角の両端をそなえた厚板を使用するこ
とによりＰまたはＳ偏光が定められる。これを使って、
空洞からの出力ビームと空洞の中を再循環するビームと
の間でエネルギを配分する。説明のため、厚板の横方向
面は平らであり、大きい方の横方向面は互いに平行で、
小さい方の横方向面も互いに平行であり、大きい方の横
方向面は小さい方の横方向面に対し９０°の平面内にあ
るものとする。前に述べたようにこれらの横方向面がＰ
平面とＳ平面を定めている。実際の偏光の設定は比較的
近似的なものであるので、これらの必要条件に幾分子ｌ
ｙの不正確さがあるが、これ゛はレーザ装置の機能をあ
まり損なうことはないので許容できる。

厚板レーザの両端にブルースター角を使うことにより、
ビームが厚板に非常に効率よく入ることができ、ビーム
損失が僅かであり、レーザ・ビームの偏光が容易になる
。ブルースター角の構成により、厚板は高出力パワーレ
ベルで動作することができ、Ｑスイッチ動作で有用な偏
光子を設【プることができ、偏光子自体は高いパワー容
量を有する。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図および第１Ｂ図は本発明の第１の実施例による
レーザ装置の中に面ポンプ型厚板レーザを含む安定／不
安定共振器を示すもので、第１Ａ図は主要構成部品の側
面図であり、第１Ｂ図は主要構成部品の斜視図である。 第１Ｃ図は本発明の第２の実施例を示すもので、レーザ
装置の長パルス・モード動作を達成するために第１Ａ図
および第１Ｂ図のポッケルスセルのかわりに設けられる
四分の一波長板の斜視図である。第２図は第１Ａ図およ
び第１Ｂ図の安定／不安定共振器の基本モードの振幅減
衰係数（γ）を従来の不安定共振器と対比して、倍率の
関数として示したグラフである。第３図は安定／不安定
共振器の出力エネルギを、従来の不安定共振器と対比し
て、ポンプ・エネルギの関数として示したグラフである
。第４図は第１Ａ図および第１Ｂ図の実施例でポッケル
スセルのバイアス電圧の設定値を種々に変えたときの出
力エネルギを蓄積エネルギの関数として示したグラフで
あり、長パルス・モードどＱスイッチ・モードの動作の
比較を示すグラフである。 １０・・・厚　板、 １１・・・光ポンピング手段、 １２・・・凸面円柱鏡、 １３・・・凹面球面鏡、 １４・・・ポッケルスセル、 １５・・・偏光子、 １６．１７・・・厚板の左側の端面と右側の端面、３０
・・・アパーチャ、 ３１・・・四分の一波長板。

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ装置において、 両方の端面を通るコヒーレントな電磁放射ビームを発生
   するための利得媒質の厚板であって、一方の上記端面の
   中間点で入り他方の上記端面の中間点で出る光線が上記
   装置の光軸を定め、上記厚板の断面が長方形であり、上
   記厚板の大きい方の横方向面に平行で上記光軸を通る平
   面が「Ｓ」平面を定め、上記厚板の小さい方の横方向面
   に平行で上記光軸を通る平面が「Ｐ」平面を定めるよう
   な厚板、 上記厚板の大きい方の横方向面に結合されて上記ビーム
   を励起する光ポンピング手段、 上記厚板をその中に含んでいて、上記光軸と整列してい
   て上記厚板を介して上記ビームの光線を複数回通過させ
   る共振形光空洞であって、イ）上記光軸と光学的に整列
   した、上記「Ｓ」平面内に有限の曲率半径Ｒ＿１を有す
   る第１の凸面円柱鏡、およびロ）上記第１の鏡から距離
   Ｌの所に上記光軸と光学的に整列して配置され、無限大
   を含めた値をとる曲率半径Ｒ＿２を有する第２の凹面球
   面鏡を含む共振光空洞、を有し、 上記変数Ｒ＿１、Ｒ＿２およびＬの値を選定することに
   より、上記「Ｐ」平面内の上記ビームの寸法において安
   定な共振ビームを形成し、上記「Ｓ」平面内の上記ビー
   ムの寸法において不安定な共振ビームを形成して、レイ
   ジングのために充分な利得を得ると共に、最大エネルギ
   抽出のために上記厚板内の実効活性エネルギ抽出体積を
   増大したレーザ装置。
2. （２）特許請求の範囲第（１）項記載のレーザ装置にお
   いて、 Ｇ＝（１−Ｌ／Ｒ＿１）（１−Ｌ／Ｒ＿２）で表わされ
   る安定度基準Ｇが安定な共振ビーム形成のためのＰ平面
   内にあるビーム要素に対してＧ≦１であり、不安定な共
   振ビーム形成のためのＳ平面内にあるビーム要素に対し
   てはＧ＞１であるレーザ装置。
3. （３）特許請求の範囲第（２）項記載のレーザ装置にお
   いて、上記第１の凸面鏡の半径Ｒ＿１がＲ＿１＝−２Ｌ
   ／（Ｍ−１）であり、上記第２の凹面鏡の半径Ｒ＿２が
   Ｒ＿２＝２ＬＭ／（Ｍ−１）であり、Ｒ＿１とＲ＿２の
   組み合わせにより倍率ＭがＭ＝Ｒ＿２／Ｒ＿１であり、
   倍率Ｍは上記Ｐ平面内にあるビーム要素に対してはＭ＞
   １の値を持ら、出力パワーと出力ビームの品質とを最適
   化するように選定されているレーザ装置。
4. （４）特許請求の範囲第（３）項記載のレーザ装置にお
   いて、上記第１の鏡の焦点距離をＦ＿１、上記第２の鏡
   の焦点距離をＦ＿２としたとき、上記第１および第２の
   鏡を上記Ｓ平面で測定してＬ＝Ｆ＿２＋（−Ｆ＿１） で表わされる距離Ｌを置いて共焦点を持つように配置す
   ることにより、上記第２の鏡で反射されて上記第１の鏡
   に向う上記Ｓ平面内のビーム要素を平行化するレーザ装
   置。
5. （５）特許請求の範囲第（４）項記載のレーザ装置にお
   いて、通常の高利得厚板材料の場合、上記Ｓ平面内にあ
   るビーム要素に対して倍率Ｍが１より大きく且つ約３ま
   での範囲内にあるレーザ装置。
6. （６）特許請求の範囲第（４）項記載のレーザ装置にお
   いて、上記第２の反射鏡と上記厚板との間に上記光軸に
   整列してアパーチャが設けられ、その縁は上記Ｓ平面に
   平行な平面内に配置され、かつ上記アパーチャは上記Ｐ
   平面内にあるビーム要素に対してビーム品質を向上する
   ように調整されているレーザ装置。
7. （７）特許請求の範囲第（６）項記載のレーザ装置にお
   いて、上記アパーチャは上記Ｐ平面内にあるビーム要素
   に対して１より大きく４より小さいフレネル数を与え、
   上記装置は上記Ｓ平面内にあるビーム要素に対して１０
   より大きなフレネル数を与えるレーザ装置。
8. （８）特許請求の範囲第（７）項記載のレーザ装置にお
   いて、上記厚板の端面が厚板の大きい方の横方向面に対
   してブルースター角で傾斜しているレーザ装置。
9. （９）特許請求の範囲第（２）項記載のレーザ装置にお
   いて、両端にある上記第１および第２の鏡の内の一方の
   鏡が部分反射特性をそなえていて、この鏡から出力ビー
   ムが取出されるレーザ装置。
10. （１０）特許請求の範囲第（２）項記載のレーザ装置に
    おいて、両端にある上記第１および第２の鏡の内の一方
    の鏡と上記厚板との間に上記光軸と整列して複屈折部材
    および偏光子が配置されており、上記偏光子は上記複屈
    折部材と上記厚板との間に配置されていて、Ｓ平面偏光
    の光線成分を出力ビームとして放出し、かつＰ平面偏光
    の光線成分を上記厚板に向けて透過し、上記複屈折部材
    は放出光と透過光との比を調節して出力パワーを最適化
    するレーザ装置。
11. （１１）特許請求の範囲第（１０）項記載のレーザ装置
    において、上記複屈折部材が四分の一波長板であり、そ
    の回転配置方向が上記出力パワーを最適化するように調
    整されているレーザ装置。
12. （１２）特許請求の範囲第（９）項記載のレーザ装置に
    おいて、上記複屈折部材がＱスイッチ短パルス動作用の
    ポッケルスセルであるレーザ装置。
13. （１３）特許請求の範囲第（１２）項記載のレーザ装置
    において、上記ポッケルスセルがビームの２回の通過に
    対して９０°の偏光回転を与えてレーザの発振を防ぐ第
    １の状態と、ビームの２回の通過に対して９０°の偏光
    回転より小さい角度２θの第２の偏光回転を与える第２
    の状態との間で調整可能であり、上記偏光角２θが放出
    光と透過光との比が所望の比になるように選択されてい
    るレーザ装置。