JPS61234087A - レ−ザ装置の光共振器 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、レーザ装置の光共振器に関する。

特に本発明は、幾何学的縦横比が比較的小さく、そのビ
ーム往復利得が比較的小さいレーザ装置から、高品質の
レーザビームを抽出することを可能とする技術に関する
。

（従来の技術） 幾何学的縦横比が比較的小さく、ビーム往復利得が比較
的小さいレーザ装置から高品質のレーザビームを抽出す
る技術は、例えば横方向ガス流動型ＧＯ２レーザ装置に
おいて必要である。

この型のレーザ装置では、ガスの流動を円滑にするため
、軸流タイプのガスレーザ装置で使用される長く細い放
電領域とは反対に、短かく太い放電領域が使用されてい
る。かかる低出力から中出力まで（約０．５〜５ｋ　Ｗ
）の横方向流動ＣＯ２ガスレーザ装置では、不安定共振
器のビーム往復利得が非常に小さいため、出力結合率（
以下結合率という）の高い出力ミラーを使用することが
困難である。

そこで、このようなレーザ装置に、ＴＥＭｏ。

モード等の低次モードで動作する安定共振器を使用する
場合、該共振器中でレーザビームを何度も折返し、レー
ザ媒質を十分に利用するようにする必要がある。ところ
が、このような多重折り返しを行うと、光共振器は光学
的アラインメントの狂いに対して敏感となり、寄生モー
ドが発生しやすくなる。

安定共振器にはこのような欠点があるため、短く太い放
電領域を必要とする場合には、不安定共振器を使用した
いとの要求が出てくる。

従来の不安定共振器を使用する場合の主な問題点は、共
成器内に十分なレーザビームを発生させ、媒質から十分
なエネルギーを抽出するためには、出力ミラーの結合率
を非常に小さくしなければならないことである。ところ
が、このようにすると最終出力ビームが極めて薄い環状
となり、遠視野集束性が根本的に劣化する。

例えば、ガスレーザ装置に使用される不安定共振器では
、共振空洞の一端に凹面ミラーから成る主反射器が設け
られ、該空洞の対向端に凸面ミラーから成るフィードバ
ック反射器が設けられている。ここに、主反射器とフィ
ードバック反射器は、空洞の縦軸上に、それぞれの曲率
中心を位置ぎめして整列される。かかる構成において、
両反射器の曲率中心は共振空洞の光軸を定め、主反射器
の曲率中心は該空洞の出力端に近い反射表面の近傍に配
置される。

この構成において、光軸に沿うすべてのレーザ光線は、
主反射器とフィードバック反射器との間で繰り返し反射
されるとともに、光軸から順次遠ざかって移動する。こ
の結果、最終的に、レーザ光線は前記フィードバック反
射器の外側端部を越え、出力ビームとして共振空洞から
出力される。

光軸に沿って移動するすべての光線は、必ず、最後には
共振空洞から歩み出るので、このタイプの光学空洞は「
不安定」共振器、または「不安定」共振空洞と呼ばれる
。

空洞共振器を有するガスレーザ装置から出力され得る総
放射量は、光学空洞内の総ビームと、レーザ媒質を横切
るビーム往復利得と、フィードバック反射器の結合率と
の関数である。従って、ガス媒質と、圧力と、温度と、
ビーム光路長と、入力とが与えられている場合、前記出
力はフィードバックミラーの結合率（透過率）の関数で
ある。

このレーザ装置の出力は、ある結合率でピークを作り、
該ピークの両側で徐々にゼロに減衰することが知られて
いる。又、このピークは、レーザ媒質を横切るビーム往
復利得が小さくなればなる程、小さい結合率の位置の方
へ移動する。従って、不安定共振器を有するレーザ装置
から最大出力を得ようとする場合、結合率の高い出力ミ
ラーを使用しても、光学空洞内レーザ媒質によって得ら
れるビーム往復利得が小さい場合には、かえってその出
力が小さくなってしまう。

従って、かかる光共振器では、高出力でしかも良好な遠
視野集束性を有するレーザ光線を得ることはたいへん困
難である、という問題があった。

次に前記従来のレーザ装置の光共振器をより詳細に説明
する。

第１図は、ガスレーザ装置に使用される不安定空洞共振
器の概念図である。この共振器は、反射凹面を有する主
ミラー１と、反射凸面を有し前記凹面ミラーに対向する
フィードバックミラー２とを具備する。ここに両反射面
の曲率中心と両者の焦点とは、共に軸３上にある。従っ
て軸３は、空洞の縦軸であるとともに、共振器の光学系
の光軸でもある。

このレーザ装置が作動されると、反転分布を有するＣＯ
２）Ｎ２　、Ｈｅ混合ガスなどのガス媒質Ｇがレーザ領
域４を通過して流れる。すると、このレーザ領域４内で
、レーザ作用によりレーザ光線が発振する。このレーザ
光線５は、二つのミラー１．２の反射表面間で往復反射
されながら光軸３から遠ざかる。その際レーザ光線は、
ガス媒質を通過するたびに、該媒質のレーザ作用によっ
て増幅される。この光線は漸次光軸を離れていくので、
繰り返し反射された優、フィードバックミラー２の縁を
越え、出力ビームとして空洞から出力される。

ところで前記二つのミラーの曲率の比によって決定され
る光共振器の出力結合率は、出力ビームが良好な遠視野
集束性を有するように決定されるものである。しかし、
これらのミラーにより与えられるレーザ光のフィードバ
ック量は、それだけでは大きな出力結合率を有するレー
ザ振動を増幅、持続することが困難である。

かかる振動を持続するために必要なフィードバックを与
えると共に、高出力で良好な光学的性質を有するレーザ
ビームを提供するために、ジークラ氏（Ｓ　ｚｉｋｌａ
ｓ）は米国特許第４．１２３．１５０号で、第２図に示
す光共振器を開示している。

この光共振器に於ては、主ミラー１及びフィードバック
ミラー２の他に、第３のミラー６が使用されている。こ
の第３のミラー６は、通常は出力放射光となる光線を、
主ミラー１に戻すことにより所定のフィードバックを与
え、システムを安定化している。

ジークラ氏は、他の例として第３図に示すような光共振
器を開示している。この光共振器では、長さし、厚さＷ
の環状利得領域２６が、端部ミラー２０と不安定共振器
１１との間に配置される。

ここに、ガス媒４ｔ、同図に示されるように、縦軸２４
から放射状に前記利得領域２６を通過するようになって
いる。一方、出力レーザビーム３０は、主ミラー１２の
中央透孔２８を通って外部に出力される。

ジークラ氏は、前記の如き光共振器において、適宜の不
安定共振器１１を設けることにより若しくは出力ビーム
に対する適宜の連続的断面を設けることにより、高次横
モードが有効に識別されるであろう、と述べている。

なお、ジークラ氏は、その発明の背景を論するにあたり
、一つの光共振器を引用している。この光共振器におい
て、レーザ媒質は、比較的単純な不安定共振器内に配置
され、円筒形鞘の形状を有している。そして、前記比較
的単純な不安定共振器は、前記円筒形鞘の一端に配置さ
れた環状凸表面と、該鞘の他端に配置された環状凹面ミ
ラーとからなっている。ジークラ氏によると、この光−
共振器から出力される環状のレーザビームは光学的特性
が劣悪である。そして、該共振器は、フレネル数が高い
のでモード弁別性が極めて悪く、しかも、大きな方位角
モードを発生させやすい傾向にある。

いずれにしても、ジークラ氏により開示された光共振器
を含めて、前記従来のレーザ装置の光共振器では、高品
質のレーザビームを出力すると共に、高次横モード、寄
生モード等の好ましくないモードの発生を確実に禁止す
ることはできない、という問題があった。

（発明の目的） 本発明の主たる目的は、比較的小さい幾何学的縦横比を
有し、ビーム往復利得が比較的小さい不安定共振空洞を
有するレーザ装置から、高品質のレーザビームを抽出す
ることができるレーザ装置の光共振器を提供することで
ある。

本発明の他の目的は、不安定共振空洞を有する光共振器
であって、小さい出力結合率を有するが、暗黒部を狭く
することにより、遠視野における高輝度を実現すること
ができるレーザ装置の光共振器を提供する。

本発明のさらに他の目的は、光共振器内において、寄生
モードの発振を防止することができるガスレーザ装置の
光共振器を提供することである。

（発明の概要） 上記目的を達成するために、この発明では、共振空洞の
両端にそれぞれ配置される主反射器とフィードバック反
射器とを有する不安定共振器と、前記不安定共振器の外
側に配置され前記不安定共振器から出力される出力放射
光の一部を再び該不安定共振器の方へ反射する補助フィ
ードバック反射器と、前記補助フィードバック反射器と
前記主反射器との間に配置され寄生モードの発振を禁止
する障害手段とを具備させた。

（実施例） 第４図は、本発明の好適実施例を示す。本実施例におい
て、レーザ領域は不安定共振器内に設けられ、モードの
弁別は補助フィードバックミラーと主ミラーとの間のフ
ィードバック用光路に配置されたスポークによって提供
される。

第４図の構成において、主ミラー４０とフィードバック
ミラー４１とは、不安定共振空洞の両端に配置される。

両ミラーは共焦点であり、両省の曲率中心及び焦点は共
に、軸４２上にある。フィードバックミラー４１で回折
されたフィードバック光は、軸４２を中心として、回折
核４３を形成する。この核４３が不安定空洞内の共振を
促進する。前記共振を持続させるために、補助フィード
バックミラー４４がフィードバックミラー４１の後方に
配置される。

ここで、レーザ媒質がレーザ領域４５に導入されると、
この領域でレーザ光が励起される。レーザ媒質がガスで
あるとき、該媒質はレーザ領域４５を横切るように流さ
れるのが好ましい。これにより、前記レーザ領域は、長
く細い軸流レーザ装置のレーザ領域とは反対に、短く太
いものとなる。

補助フィードバックミラー４４は、半透過性のミラーで
ある。従って、このミラーへの入射光の一部は該ミラー
を通過して出力ビームとなる。前記補助ミラーの入射光
の大半は、主ミラー４０方向に反射し戻される。これに
より、前記回折核４３には大きなビーム光束が保持され
る。前記補助フィードバックミラー４４の反射率は、ミ
ラー４１からのフィードバックを補助するために必要十
分な大きさにされている。

主ミラー４０と補助フィードバックミラー４４との間の
光路内に半径方向に延びるスポーク４６が配置され、寄
生モードが形成されるのを防止している。該スポークの
幅は、約（λＬ）木でなければならないことが実験的に
知られている。ここで、Ｌは補助ミラーと主ミラー間の
距離であり、λは抑制されることとなる放射光の波長で
ある。

前記スポーク４６は、主ミラー４０と補助ミラー４４と
の間の光路内で障害手段を形成し、寄生モードの発生を
禁止する。

なお、スポーク４６にフィードバックミラー４１を支持
させると都合が良い。フィードバックミラー４１は、い
ずれにせよ何等かの方法で支持しなければならないから
である。従って、前記実施例においては、第４図に示す
ように、スポーク４６の一端は支持台４７に固定され、
スポーク４６の他端がフィードバックミラー４１を支持
する。

この構成において、スポーク４６は、フィードバックミ
ラー４１と主ミラー４０との間で反射・される放射光を
妨げることはない。しかし、該スポーク４６は、前記構
成において、出力ビームに影を作る。

半透過性の補助フィードバックミラー４４を通して出力
される放射ビームの断面は、第５図に示すように、光軸
４２を中心とする厚い環状形となる。従って、このビー
ムＬＢは、高出力かつ良好な遠視野集束性を有する。

第６図に概略的に示す本発明の他の実施例は、第４図の
実施例で使用した半透過性補助フィードミラーの代りに
、全反射補助フィードバックミラー６０を使用する。第
６図の実施例において、補助フィードバックミラー６０
は、もしこれがなければフィードバックミラー６２の周
辺から出力されることとなる放射光の一部を、主ミラー
６１及びフィードバックミラー６２とで定まる共振空洞
４５内に戻す。

前記補助フィードバックミラー６０には、透孔６０ａが
形成されており、該透孔６０ａを通して放射の一部を、
出力ビームとして出力する。このビームの環状断面を第
７図に示す。本実施例で得られる環状出力ビームは、第
４図の実施例で得られるビームはど遠視野輝度が良好で
ない。この理由は、ビームの断面の大部分がフィードバ
ックミラー６２に取られてしまうからである。従って、
第６図の実施例の主な利点は、透過性光学要素を使用し
ない＾出力レーザ装置の好適なオプションを提供するこ
とである。

第６図の実施例では、寄生モードは、第４図の実施例と
同様、半径方向に延びるスポーク６３によって防止され
る。

前記再実施例において、不安定共振器の基本原理は保持
されている。つまり、レーザ領域は、放射光束で満たさ
れ、該光束は連続的に反射されながら光軸を取り囲む回
折核から半径方向外側に移動する。再実施例の光学系に
おいて、すべての放射光線は、出力放射光として前記回
折核から出力されるか、またはフィードバック放射光と
して前記回折核に戻されるものである。前記実施例に存
在し得る種々の横モードの強度形状及び位相状態は、小
さいフィードバックミラーからの回折効果、及び照射さ
れる空洞内の光通路壁や、突出電極などの他の縁からの
回折効果とによって決定される。

前記実施例では共に共焦点配置としたが、当業者には、
補助フィードバックミラーに適切な曲率が与えられる限
り、不安定共振器のミラーが共焦点配置でなくても良い
ことは容易にわかるであろう。また、当業者には、前記
二つの実施例で使用した正ブランチ共振器に代えて負ブ
ランチ共振器の使用が可能であることは明らかであろう
。事実、負ブランチ共振器は、光学的アラインメントの
狂いに対して、敏感でないという利点を有する。

本発明は各種形態で実施できるので、本発明の範囲は前
記実施例に限定されるものではない。本発明の範囲は、
特許請求の範囲と、該請求の範囲に等価な範囲とによっ
て規定されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の不安定共振空洞を示す概略図であり、
この共振空洞の両端には主ミラーとフィードバックミラ
ーとが配置され、両ミラーの中心と焦点とは該空洞の縦
軸上にあり、光軸は前記空洞の縦軸と一致していること
を示す図、第２図は、ジークラ氏に付与された米国特許
第４、Ｌｊ　２３．１５０号が開示する安定共振器を示
す概略図であり、従来の不安定共振空洞が安定共　　　
　“振器の構成要素として使用されていることを示す図
、 第３図は、ジークラ氏の特許が開示する他の構成を示す
概略図であり、安定共振器がガスレーザ装置に使用され
ていることを示す図、 第４図は、共焦点不安定共振器と半透過性ミラーとを使
用する本発明の一実施例を示す概略図であり、出力ビー
ムが該半透過性ミラーを通過して出力されると共に、寄
生モードの発振を防止するための半径方向スポークが使
用されていることを示す図、 第５図は、第４図に示す実施例から出力される出力ビー
ムの断面形状を示す図、 第６図は、共焦点不安定共振器と全反射補助ミラーとを
使用する他の実施例を示す概略図であり、該全反射補助
ミラーが出力放射の一部を不安定共振器内に戻し、又、
寄生モードの発振を防止するために半径方向スポークが
配置されていることを示す図、 第７図は、第６図に示す実施例から得られるビームの断
面を示す図である。 ４０．６１・・・主ミラー、４１．６２・・・フィード
バックミラー、２４．４２・・・光軸、４５・・・レー
ザ領域、４３・・・回折核、４４．６０・・・補助フィ
ードバックミラー、４６．６３・・・スポーク第１図

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）（ I ）共振空洞の両端にそれぞれ配置される主
   反射器とフィードバック反射器とを有する不安定共振器
   と、 （II）前記不安定共振器の外側に配置され、前記不安定
   共振器から出力される出力放射光の一部を再び該不安定
   共振器の方へ反射する補助フィードバック反射器と、 （III）前記補助フィードバック反射器と前記主反射器
   との間に配置され、寄生モードの発振を禁止する障害手
   段と、 を具備するレーザ装置の光共振器。
2. （２）特許請求の範囲第（１）項に記載のレーザ装置の
   光共振器であつて、前記補助フィードバック反射器は、
   半透過性ミラーからなることを特徴とするレーザ装置の
   光共振器。
3. （３）特許請求の範囲第（１）項に記載のレーザ装置の
   光共振器であつて、前記補助フィードバック反射器は、
   その内径が出力ビームを通過させるに十分な大きさの環
   状ミラーあることを特徴とするレーザ装置の光共振器。
4. （４）特許請求の範囲第（１）項に記載のレーザ装置の
   光共振器であつて、前記障害手段は、前記光共振器の光
   軸と直交する放射方向に延伸させたスポークからなるこ
   とを特徴とするレーザ装置の光共振器。
5. （５）特許請求の範囲第（４）項に記載のレーザ装置の
   光共振器であつて、前記スポークの幅は、前記不安定共
   振器の主反射器と前記補助フィードバック反射器との間
   隔をＬとし、かつ、放射波長をλとした場合、約（λＬ
   ）＾１＾／＾２であることを特徴とするレーザ装置の光
   共振器。
6. （６）特許請求の範囲第（４）項に記載のレーザ装置の
   光共振器であつて、前記スポークは、前記フィードバッ
   ク反射器の外周上の位置から前記光軸と直交する放射方
   向に延伸させるものであることを特徴とするレーザ装置
   の光共振器。
7. （７）特許請求の範囲第（６）項に記載のレーザ装置の
   光共振器であつて、前記スポークは、前記フィードバッ
   ク反射器を支持することを特徴とするレーザ装置の光共
   振器。
8. （８）特許請求の範囲第（７）項に記載のレーザ装置の
   光共振器であつて、前記スポークの幅は、前記不安定共
   振器の主反射器と前記補助フィードバック反射器との間
   隔をＬとし、かつ、放射波長をλとした場合、約（λＬ
   ）＾１＾／＾２であることを特徴とするレーザ装置の光
   共振器。
9. （９）特許請求の範囲第（１）項に記載のレーザ装置の
   光共振器であつて、前記不安定共振器の共振空洞は、該
   共振空洞の内部にガスレーザ媒質の横方向流れを導くた
   めのガス流動領域を有して成ることを特徴とするレーザ
   装置の光共振器。