JPS61503066A - 光学透過フィルタ - Google Patents

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】

光学透過フィルタ 発　明　の　背　景 １、発明の分野 この発明はコヒーレントな偏光ビームを用いる装置に対する光学透過フィルタ、 更に具体的に云えば、フィルタ開口内でのエレメントの位置の関数として、偏光 ビームのエレメントの成分に対して差別的な位相遅延を持つフィルタに関する。 更にこの発明は調節自在の光学透過フィルタに関する。 ２、従来技術の説明 この発明はコヒーレントな偏光放射（ｐｏｌａｒｉｚｅｄ　ｃｏｈｅｒｅｎｔ　 ｂｅａｍｓ）を用いるレーザの様な光学装置に用いることが出来る。レーザでは 、利得媒質に対して光学的な帰還を行なう様に作用する光学共振器が内部ビーム を設定するのを助け、両者が発生されるビームの特性に影響を与える。レーザか ら取出された外部ビームは内部ビームから導き出されるものであるから、共振器 及び利得媒質が外部ビームの性格にも影響を与える。 レーザ装置の理想的な特性は、大きな自然開口を持っていて、大きな高エネルギ の高品質のビームを発生することである。ビームが「太き」ければ大きい程、エ ネルギが大きく、遠視野のビームの発散が一層小さくなる（理想的には最小値） 。開口はこのビームの性質を定める重要なパラメータである。ビームの品質は、 標準ビームを基準として、あるビームを特徴づける為に使われる相対的な言葉で ある。 例えば純粋なＴＥＭｏｏモードで光学共振器が動作することによ−）て生ずるビ ームは標やビームになるものと云うことが出来、これは「ガウス形」と呼ばれる 。「ガウス形」ビームでは、強度がビームの中心でピークになり、ビームの縁ま で除々に減少する。−プｊ１「ガウス形」ビームの位相はビームの中心では比較 的一定にＩｆ′、どまり、その後ビームの周辺では大きな値まで急速に変化し１ 、位相の反転に通ずる。逆に、ビームの強度分布では、ビームの強度が最小値に 近付く所で位相が最も急速に変化する。多重モードの徴候があるビームでは、強 度が第２の縞となって見えることがあり、その（−：ｌ、相は中心の縞の位相と １８０°偏移していることがある。 実際の装置では、補正をしなければ、ビームは標準の「ガウス形」ビームよりも 品質がずっと劣る場合が多い。 ビームの品質に影響を与える光学共振器を設計する時の典型的な問題は、光学共 振器が安定であるか不安定であるが、即ち、「安定／不安定」と呼ばれる両者の 組合せである。 利得媒質を設計する時の典型的な問題は、媒質の断面が円形であるか四角である か或いは矩形であるか、傾斜した端面（ブルースターの角度で切取る）かどうか 、並びに媒質が動作する時に熱集束効果が存在するかどうかである。この様な全 ての設計では、装置の開口が大きくなる時、又はエネルギが増加する時、ビーム の品質は劣化しがちである。 レーザ装置では、電気光学式の「Ｑ切換え」動作が出来ること、並びにレーザ動 作を改善する助けになると云う＋ｊで、偏光動作が望ましい場合が多い。この改 良はビームの品質が改善されると共にエネルギが増加する。 従って、ビームが形成される光学共振器の内部では、ビームが光学共振器から利 用装置に結合される近視野並びに遠視野で、波頭の位相を調節する手段は、レー ザ又はレーザ装置の動作を改善するのにを利であることがある。 実用的なレーザ装置で問題となる別の点は、位相補正手段自体における端数の波 の精度が必要とすることであり、補正フィルタはそれ自身の製造を簡単にする為 に調節自在にすることが望ましくなる。この調節能力は、装置のパラメータが正 確に判っていない場合、装置の実際の条件に対してフィルタを更に適応性を持つ 様にすると云う別の利点従って、この発明の目的は、フィルタの軸線に対する放 射エレメントの位置の関数である様な位相応答を持つ、コヒーレントな偏光放射 に用いることの出来る新規な光学透過フィルタを提供することである。 この発明の別の目的は、差別的な位相遅延が加えられ、これがフィルタの軸線か らの各々の放射エレメントの半径方向の距離の連続的な関数である様なコヒーレ ントな偏光放射に用いることの出来る新規な光学透過フィルタを提供することで ある。 この発明の別の目的は、フィルタの軸線に直交する平面内での座標の連続的な関 数である差別的な位相遅延を加える様な、コヒーレン１−な偏光放射に用いるこ との出来る新規な光学透過フィルタを提供することである。 この発明の別の目的は、調節自在の位相応答を持つ、コヒーレントな偏光放射に 用いることの出来る新規な光学透過フィルタを提供することである。 この発明の上記並びにその他の目的が、Ｐ次元に偏光した光ビームの連続的な位 相補償を行なう新規な光学透過フィルタによって達成される。フィルタはビーム の軸線と同心の光軸を持っている。フィルタが、予定の曲率半径を持つ而を持っ ていて第１の中心の厚さを持つ複屈折材料の第１のレンズと、第１のレンズの曲 率半径と等しいが符号が反対の曲率半径を持つ面を持ち、第２の中心の厚さを持 つ複屈折材料の第２のレンズとを有する。レンズは、弯曲した而を隣合せて、ビ ームの軸線と同心に且つそれに直交する向きに配置する。 更に、レンズの材料の結晶光軸は、軸線に沿って並びにＰ次元に対して４５°の 角度で互いに直交する位置に向ける。フィルタのレンズの面は、フィルタにめる 特性に応じて、球状又は円住状であってよい。 フィルタの位相応答は、レンズの中心の厚さが相等しい時、ゼロの座標値（又は フィルタの軸線を基準として半径ゼロである時）差別的な位相遅延がゼロである 。レンズの中心の厚さが相等しくない時、位相応答は軸上でゼロ以外の差別的な 位相遅延（並びに他のある座標値でゼロの差別的な位相遅延）を持つことが出来 る。従って、一定の基準遅延を加算又は減算することにより、差別的な位相遅延 特性を変換したい時、透過フィルタは一方のレンズが調節自在の中心の厚さを持 つ様に作ることが出来る。これは、一方のレンズを複合の設計にして、レンズが くさび形（平面の面を持つ）部材で構成して、これが曲率を持つ他方のレンズ部 材のテーパ角に等しい角度でテーバがつけられる様にすることによって達成する ことが出来る。−緒にテーパをつけたことにより、フィルタの面がフィルタ軸線 に対する直交性を回復する。テーパ角を十分小さくする時、フィルタの特性の空 間的な基準を非常に微細に調節することがこの発明の新規な独特の特許請求の範 囲に記載しであるが、この発明自体並びにその他の目的及び利点は、以下図面に ついて説明する所から、最もよく理解されよう。 第１Ａ図、第１Ｂ図、第１Ｃ図及び第１Ｄ図はコヒーレントな偏光を発生するレ ーザ装置に用いられる光学透過フィルタを示す。 第１Ａ図は直交する様に配置された複屈折材料を用いたレンズ２枚の光学透過フ ィルタであり、レンズは合さる球状前を持ち、一定の軸上の厚さを持っている。 第１Ｂ図は第１Ａ図に示した光学透過フィルタの３エレメント形の変形であり、 くさび形レンズと協働する摺動自在のくさびによって腹合レンズを作り、その軸 上の厚さが他方のレンズに対して調節自在である。 第１Ｃ図は第１Ａ図に示すフィルタと同様であるが、合さる円柱状の面を持ち、 レンズが一定の軸上の厚さを持つ様なレンズ２枚の光学透過フィルタである。 第１Ｄ図は第１Ｃ図に示した光学透過フィルタの３ニレメン！・形の変形であり 、くさび形レンズと協働する拍動自在のくさびがｍ合しンズを作り、その軸上の 厚さが他方のレンズに対して調節自在である。 第２Ａ図は球状である光学透過フィルタと偏光子とを組合せたコヒーレント光学 装置の一部分の斜視図で、この組合せが装置の軸線を基準として位置に対する依 存性を持つ減衰関数を発生する。 第２Ｂ図乃至第２Ｅ図は第２Ａ図に示した光学部品の中を進む時のビームの性格 を示す補助的な図で、フィルタは球面を持っている。これらの図はその位置の関 数として、ビームを形成する個々の光線の偏光の回転及び強度を示す。 第３Ａ図及び第３Ｂ図は球面光学透過フィルタと偏光子の組合せを用い、ＴＥＭ ｏｏモードにおける共振器の動作を支持すると共に、他のモードを抑圧する、偏 光を利用した安定なＱ切換え形レーザ共振器の側面図並びに斜視図であり、また 第３Ｃ図はモード抑圧の際の光学共振器の部品の作用を示すグラフである。 第４Ａ図乃至第４Ｆ図は第３Ａ図及び第３Ｂ図の実施例のＱ切換え順序を示す。 第５図はＴＥＭｏｏモードの動作にａ刊になる様に設計された、第３Ａ図及び第 ３Ｂ図の実施例のボッケル・セルに対する制御回路を示す回路図である。 第６図はＱ切換え順序の間、ボッケル・セルに印加された電圧の関数として、第 ３Ａ図及び第３Ｂ図の実施例のレーザ空洞に対する透過分布を示すグラフであり 、この過程は光学共振器をＴＥＭｏｏモードで動作する様に「種づけ」する。 第７Ａ図及び第７Ｂ図は面ポンプ形レーザ（１’ａｃｃ　ｐｕｍｐｃｄ　１ａｓ ｅｒ　）を用いると共に、共振器の性能を改善する為に、円柱状光学透過フィル タと偏光子の組合せを取入れた安定／不安定共振器の側面図及び斜視図である。 第８Ａ図は球面光学透過フィルタと偏光子の組合せを用いたレーザ装置を示して おり、光学透過フィルタのレンズは調節自在の軸上の厚さを持っている。フィル タと偏光子の組合せを用いて、増幅器の能動材料の「充填率」を増加することに より、増幅器の抽出効率を高める。 第８Ｂ図は光学透過フィルタの２枚のレンズの間の中心の厚さの差の変化の関数 として、第８Ａ図に示しｌ；フィルタと偏光子の組合せの透過分布の変化を示す 。 第８Ｃ図は、第８Ａ図のレーザ装置で、フィルタを好ましい調節にした時の入力 ビームの強度、フィルタの透過率及び透過ビームの強度を示す。 第９Ａ図はコヒーレントな偏光源によって発生されたビームの品質を高める為に 球面光学透過フィルタを用いたし一す装置を示す。 第９Ｂ図はフレネル数７．５（倍率１，５）を持つ不安定なレーザ共振器によっ て発生されたビームの遠視野発散を球面光学透過フィルタによって補正した結果 を示す。 第９Ｃ図はフレネル数８．５を持つ安定なレーザ共振器によって発生されたビー ムの遠視野発散を球面光学透過フィルタによって補正した結果を示す。 第９Ｄ図はビームを横切る位相偏移の効果又は遠視野ビーム発散を示す。 好ましい実施例の説明 第１Ａ図、第１Ｂ図、第１Ｃ図及び第１Ｄ図に示す光学透過フィルタは、フィル タの軸線を中心とするコヒーレン１−な偏光ビームに使う様に設計された２つ又 は３つの光学部品である。夫々のフィルタが二重屈折材料からなる１対の合さる レンズを含んでおり、この材料の結晶光軸は互いに直交し、それらの合さる面は 球面（夫々凸−凹）又は円柱面（夫々凸−門）である。 ２つの球面レンズを用いる第１Ａ図の光学透過フィルタ１０は、フィルタの場の 中での光線の半径方向の座標の関数となる様な差別的な位ｔ■応答を、好ましい 偏光を持つ光に刀して有する。この関数はフィルタの軸線の周りに対称的である 。特に、光線がフィルタの軸上にある時、好ましい偏光を持つ選ばれた２つの直 交成分の間の差別的な位相遅延の変化はゼロに近い。容易に判る様に、選ばれた 成分は好ましい偏光（Ｐ）に対して４５°の角度を持ち、二重屈折材料の結晶光 軸と整合している。１例では、これらの選ばれた成分の間の差別的な位相遅延は 、フィルタの軸線から計った光線の半径方向の座標が増加すると共に増加する。 差別的な遅延は、フィルタの軸線の周りの角度位置に関係なく、同じ半径方向の 座標では等しい。波透過フィルタを用いて、フィルタの場の周辺では、光線がフ ィルタを１回通過することにより、偏光ベクトルを９０°回転させることが出来 （ｒｌ／２波長板」と同様）、又はフィルタの場の周辺で光線がフィルタを２回 通過する時に、これと同等の差別的な遅延（ｒｌ／４波長板」と同様）を生ずる ことが出来る。 円柱面レンズ（第１Ｃ図参照）を使う波透過フィルタ３０は、好ましい偏光を持 つ光に対する位相応答が、フィルタの場の中での光線の横方向座標（Ｓ座標）の 関数である。 この関数はフィルタの軸線の周りに対称的である。１例では、光線がフィルタの 軸線上にある時、好ましい偏光を持つ選ばれた２つの直交成分の間の差別的な位 相はゼロに近く、フィルタの軸線から計った光線のＳ座標が増加するにつれて、 差別的な位相遅延が増加する。 球面（１０）及び円柱面（３０）の何れのフィルタも、調節自在の形式にするこ とが出来る。調節自在の形式（２０）、（４０）では、一方のレンズはシ！１節 自在の厚さを持っていて、所望の直交成分の間の差別的な移相がゼロ、正又は負 になる様な値に、軸−１ニの差別的な遅延を調節することが出来る。 ′フィルタ１０．２０．３０及び４０を適当な偏光子と組合せて用い、この位相 応答を、同１２座Ｉ票依存性を持つ振幅応答に変換することか出来る。こ＼で説 明するフィルタは、レー→量′の光学共振器内の光学部品として、光学共振器と 光学増幅器の間の通路内に用いることが出来、或いは遠視野補正の為に用いるこ とが出来る。 第１Ａ図に示す光学透過フィルタ】０は２個からなる球状装置であって、１ノン ズ１２．１４はその中心に於ける厚さが等しい。これらの中心が関連する光学装 置の軸線Ｚと整合している。フィルタ１０で左側に配置されたレンズ１２は左側 に第１の而１１　（図面では隠れている）を持ち、これは串用であり、右側の第 ２の而１６が予定の曲率半径（Ｒ）で球状に凹である。レンズ１２の面は光軸（ Ｚ）に対してｒＲ交する向きである。 レンズ１２の結晶光軸が軸線Ｐ及びＳに対１２て４５６の角度であ−る。軸線Ｐ 及びＳがレーザ媒質の配向により、関連する光学装置内で定められている。面ポ ンプ形の四角の厚板形のレーザ（ｒａｃｅ　ｐｕＩａｐｅｄ　５ｑｕａｒｅ　５ ｔａｂ　１ａｓｅｒ　）の場合、ブルースターの角度で両端を切断しであると、 これらは厚板の側面と平行な平面内にある。Ｐ座標は第１Ａ図及び第３Ａ図の向 きを使うと、レーザ厚板の上側及び下側の（側）面の間の垂直平面内の向きであ り、Ｓ座標はレーザ厚板の前側及び後側の（側）面の間の水平平面内の向きであ る。これらの座標が以下の説明に使われるＰ及びＳ偏光ベクトルを定める。レン ズ１２の二重屈折材料の結晶光軸が矢印１３で示されている。この軸線はＰ−３ 座標に対して４５°の向きである。 フィルタ１０の右側に配置された第２のレンズ１４が左側に第１の面１５（図面 では隠れている）をｒｉち、これは第１のレンズと同じであるが符号が反対の曲 率半径Ｒで、球状に凸である。２つのレンズ１２．１４を合せた時、面１５、〕 ６がぴったりと合さる様に設計されている。第２のレンズ１４の右側の第２の面 １７は平坦である。レンズ１４の而（１５，１７）は軸線Ｚに対して直交する向 きである。 レンズ１４の結晶光軸がＰ及びＳ軸線に対して４５″の角度を持つ。この軸線は 、矢印１８で示す様に、レンズ１２の結晶光軸に対して直交する向きである。 ２枚のレンズ１２．１４で構成された光学透過フィルタ１０は、装置を通過する 偏光した光線の選ばれた成分に対し、位置依存性を持つ差別的な移相を存する。 こうして生ずる差別的な移相は、フィルタの軸線からの光線の距離の関数である 。１番目の例として、レンズ１２及び１４の凹及び凸の球面に同じ曲率半径を仮 定し、２枚のレンズの厚さがそれらの中心で正確に合うと仮定すると、選ばれた 直交成分に対する差別的な位相は、Ｚ軸と一致するフィルタの中心ではゼロであ る。然し、光線がフィルタの場の周辺部分にあると、光線が第１のレンズで通過 する厚さは第２のレンズよりも一層大きく、この設計で考えられている最大の差 別的な移相を受ける。偏光Ｐを持つ光線が、２つの二重屈折材料の結晶光軸と平 行な選ばれた２つの直交成分に分解され、その後再び組合されると、その合成に よって９０６の偏光の回転が生ずる。こういうことが起こるのは、選ばれた直交 成分の内の一方が他方に対して１８０’の差別的な移用を受け、それが再び組合 された時、９０＠の偏光の回転を生じ、Ｓ偏光になるからである。 ９０″の位Ｉｌｌの回転は、上に述べた例で述べた様に、フィルタの周辺を光線 が１回通過した時、又は設計が変更されたフィルタを（やはり周辺で）２回目に 通過した時に起こり得る。２番目の例では、鏡を設けて、光線がフィルタを２回 目に通過する様にすることが出来、フィルタは、ビームが１回通過した時に、場 の限界に於ける差別的な移相が僅か９０°である様な一層浅い設計にすることが 出来る。 １回通過した後、場の周辺から出て来る光線の偏光は円形である。鏡から反射さ れ、再びフィルタに入り、場の周辺でフィルタを２回目に通過すると、ビームの 円偏光がもとのＰ偏光から９０°回転した直線偏光に変換され、Ｓ偏光になる。 球面光学透過フィルタは、一定の相等しい中心の厚さを持つ２枚のレンズを用い て第１Ａ図に示す形式にしてもよいし、或いは、１つのレンズの中心の厚さを他 のレンズに較べて調節出来る様にする為に３つのエレメントからなる構造を用い た第１Ｂ図の２０に示す形にしてもよい。この調節を利用して、２枚のレンズの 中心の厚さを正確に等しくしてもよいし、或いは希望する様に等しくなくするこ とが出来る。等しくしない調節の効果として、フィルタの軸線上で正味の差別的 な移相が生ずると共に、差別的な移相が最小である軌跡をフィルタの軸線の周り のリングに変位させることが出来る。中心の厚さが等しくなくなる時、常に差別 的な移相はフィルタの場の周辺部分では幾分一層小さくなることがある。 第１Ｂ図に示す調節自在の球面光学透過フィルタ２０は、複合の左側レンズ２１ ．２２と、単一エレメントの右側レンズ２４とで構成される。複合レンズは、平 坦な前側及び裏側の而を持つ摺動自在のくさび２１と、その平坦な面がフィルタ の軸線に対して直交する角度に設定されたくさび形レンズ２２とで形成される。 ２つのエレメント２１，２２を正確に整合して摺動自在に係合する様に組立てて 、その上側及び下側の側面が同一平面内になる様にすると、矢印２３で示す様に 、くさび２１の結晶光軸が、矢印２５で示すレンズ・エレメントの結晶光軸と同 じ回転方向を持つ。 更に、くさび２１のテーパー角とレンズ２２のテーパー角を等しくして、組立て て、摺動自在の係合によって正しく整合させた時、複合レンズ２０の外面がＺ軸 に対して直交する向きになる様にする。この為、くさびの特定の位置に於ける３ つのエレメントからなる複合レンズ（２１，２２゜２４）の位置依存性を持つ差 別的な位相応答は、この特定の厚さを持つこれと相当する２つのエレメントから なるレンズの位相応答と略同じである。 差別的な移相を波長の小さな一部分に調節することが出来る様に、差別的な移ｔ ｒ＋の微細な調節が出来る様にする為、２つのレンズ部品（２］、２２）のテー パー角を十分小さくして、普通のマイクロメータねじを用いた調節で、この精度 が得られる様にする。特定の場合、くさびの角度は２１分の円弧である。 第１Ｃ図に示す光学透過フィルタ３０は２個からなる装置であり、２つの円柱面 レンズを用いており、個々のレンズ（３２，３４）は中心に於ける厚さが等しい 。第１Ａ図の実施例と同じく、レンズ・エレメント（３２，３４）の中心がＺ軸 上で整合している。フィルタ３０の左側にあるレンズ３２は左側にある第１の而 ３１が平坦であり、右側にある第２の而３６が予定の曲率半径（Ｒ）で円柱状に 凹である。この曲率はＳ−Ｚ平面内で最大であり、Ｐ−Ｚ平面内では無視し得る 。レンズの面はＺ軸に対して直交する向きである。 第２のレンズ３４がフィルタ内で右側に配置されている。 これは左側の面３５（隠れている）を持ち、これが第１のレンズと同じであるが 反対の符号の曲率半径（Ｒ）で円柱状に凸である。レンズ３２と同じく、曲率は Ｓ−Ｚ平面内で最大であり、Ｐ−Ｚ平面内では無視し得る。２つのレンズ３２． ３４を合せた時、面はぴったりとはまる様に設計されている。第２のレンズの右 側の第２の面３７は平坦である。レンズ３２．３４の面がＺ軸に対して直交する 向きである。フィルタ３０の個々のレンズ３２．３４の結晶光軸がＰ軸及びＳ軸 に対して４５″の角度をなす。前と同じく、矢印３３で示すレンズ３２の結晶光 軸が矢印３８で示すレンズ３４の結晶光軸と直交している。 ２枚のレンズ３２．３４で構成された光学透過フィルタ３０は、偏光１７た光線 に対し、位置依存性を持つ差別的な移相を有する。この差別的な移相は、Ｓ軸に 沿って計ったフィルタの中心からの光線の距離の関数として変化する。 差別的な移相の大きさは、同じ値のＳ座標にある光線では等しい。レンズ３２． ３４の凹面及び凸面に同じ曲率を想定すると共に、２枚のレンズ中心に於ける厚 さが正確に合っていると仮定すると、装置の軸線上の偏光した光線の選ばれた成 分に対する差別的な移相はゼロである。然し、偏光した光線がフィルタの場の外 側の限界、即ち円柱面レンズの近い方の縁及び遠い方の縁にある場合、光が第１ のレンズ（３２）内で通過する厚さが第２のレンズ（３０）よりも一層大きくな り、最大の差別的な移相を受ける。 円柱面光学透過フィルタは第１Ｄ図に示す調節自在の形にすることも出来る。こ の場合、３つのエレメント（４１゜４２．４４）からなる構成を用いて、一方の 複合（４１゜４２）レンズの中心の厚さを他方のレンズ（４４）に対して調節す る。 第１Ｄ図に示す調節自在の円柱面光学透過フィルタ４０は複合の左側レンズ（４ １，４２）が右側の単一エレメントのレンズ４４と協働することによって構成さ れる。複合レンズは（Ｕ動自在のくさび（４１）及びくさび形レンズ４２で形成 され、両者は直交する外面及び平行な結晶光軸を保つ（工に組合せることが出来 る。 これまでの；２Ｊ　面自在の形式と同じく、この調節を利用して、２枚のレンズ （４１，４２と４４）の中心の厚さを正確に等しく［７、又は希望する様に等し くなくすることが出来る。中心の厚さが等しい例では、偏光した光線の選ばれた 成分に対する差別的な位相が軸上でゼロであり、同じ正又は負のＳ座はでは同じ 様に変化する。 レンズ４１．４２と４４の中心の厚さを等しくなく調節し、た効果として、Ｚ軸 −Ｌの正味の差別的な移相が生すると共に、最小の差別的な移相の軌跡が、Ｚ軸 から同じＳ座標の距離だけ隔たる、Ｐ座標軸と平行な２本の直線に変位する。等 しくなく調節すると、差別的な移相が、中心の厚さが相等しい時よりも、フィル タの外側の縁で一層小さくなる。 第２Ａ図乃至第２Ｅ図には、Ｔ＋　Ｉ　Ａ図に示す様な球面を持つ光学透過フィ ルタ１０が偏光子（５１−５２）と組合せて示されている。この組合せがＰ偏光 に対し半径方向の減衰関数を作る。 第２Ａ図に示す場合、この組合せは、フィルタの場の中で、Ｚ軸の近くでＰ偏光 に対する減衰を最小にすると共に、フィルタの場の周縁近くで最大の減衰を生ず る様に調節される。加えられたビームの断面が、フィルタの場を「ドーナツ形」 に埋めるものと同様であると仮定すると、フィルタは「ドーナツ」の孔を選択し 、「ドーナツ」を排除する。 この代りに、この組合せは、フィルタの場の中心部分て減衰を最大にし、フィル タの場の周縁部分で減衰を最小にする様に調節することが出来る。最後に、調節 自在のフィルタ２０を使うこと等により、今述べた１番口及び２番目の調節の中 間の移行的な選択をすることが出来る。この場合、場の中心は所望の程度に減衰 し、ビームの縁はそれ程著しく減衰しない。その効果として、実際のビームのス ポツト寸法が所団の減衰限界の間で増大する。 第２Ａ図では、交差する垂直線（５３）及び水平線（５４）で左側に示した偏光 していない光が右へ進み、偏光子５１の左側の而に入射すると仮定する。Ｐ偏光 である光だけが偏光子５１を透過し、Ｓ偏光を持つ光は軸外に投出され、捨てら れる。偏光子を通過した後の光の偏光の性格が第２Ｂ図に示されており、この図 は場の拡大断面図を示す。 特に、１本の全長の垂直線で表わした場の中心は垂直偏光になっている。この中 心を取囲んでいて、場を完成する相次ぐ区域が、垂直偏光である半径方向に配置 された４本の全長の垂直線の４列によって表わされている。フィルタの場の中で の光線の半径方向の位置の関数としての光強度のグラフが第２Ｂ図の下側部分に 示されている。この場は、単位強度を持つ光線で一様に埋められていたと見なす ことが出来る。 この後、Ｐ偏光の光線５３が引続いて光学透過フィルタ１０に入射し、これは矢 印（１３，１８）で示す様に、Ｐ偏光に対して４５°の向きで互いに直交する結 晶光軸を持っている。ＰｌＩｌｌｉ光の光線の選ばれた直交成分が、Ｚ軸からの 次第に増加する゛トイＹ方向の距離の関数として、フィルタを通過する時に一層 大きな差別的な移相を受け、対応する相異なる偏光の回転を生ずる。 フィルタ１０を出る光線が第２Ａ図では点５７で示されており、これらの点は波 長間隔で隔たっており、それが偏光子５２に入射するまで続く。 フィルタの場の相異なる区域に於けるフィルタ１０の効果が第２Ｃ図に示されて おり、これは場の拡大断面図である。第２Ｃ図の上側部分は、フィルタの場の中 にある次第にｉＦＴ　ｉ≠が大きくなる区域内にある光線の位１位の関数として の偏光の回転を表わしている。この図の下側部分は、場の中での光線の半径方向 の位置の関数として、強度を示している。 第２Ｃ図の−１−側部分は、入力光線の位置がフィルタの場の中心から周辺に進 むにつれての、フィルタ１０からの出力光線の偏光の進み具合を示している。全 長の垂直線がＰ偏光を表わし、全長の水平線がＳ偏光を表わし、円は円偏光を表 わす。１本の全長の垂直線で表わしたフィルタの中心に於ける光線は、偏光に変 化なくフィルタ１０から出て来て、Ｐ偏光のま＼である。４つの円で表わされる 次の区域から出て来る光線は、４５°の偏光の回転を受けており、この時円偏光 になっている。４つの全長の水平線で表わされるその次の外側の区域から出て来 る光線は９０″の偏光の回転を受け、この時水平偏光である。その次の外側の区 域では、出て来る光線は、４つの円で表わす様に円偏光である。図示の最後の区 域では、出て来る光線は、４つの全長の垂直線で表わす様に、再びＰ偏光である 。 光線の半径方向の位置の関数としての、フィルタにかけられたビームの強度のグ ラフが、第２Ｃ図の下側部分に示されている。第２Ｃ図のグラフは、第２Ｂ図に 示すグラフと似ており、フィルタ１０が意味のある減衰をしなかったことを示し ている。 フィルタ１０を通過した結果として、フィルタの場の中での位置の関数として異 なる偏光を持つ光線が、次に偏光子５２の左側の而に入射する。 垂直偏光を持つ光線の成分が偏光子５２を透過し、垂直線５８で示す様に、引続 いてＺ軸に沿って右に進む。水平偏光を持つ光線の成分が偏光子５２によって反 射され、水平線５９で示す様に、軸線の外に投出される。 フィルタの場の異なる部分に於ける透過光線及び反射光線に対する偏光子５２の 効果が、第２Ｄ図及び第２Ｅ図に示されており、これらの図は場の拡大図である 。 フィルタの場の相次ぐ区域に於ける透過光線に対する偏光子５２の効果が第２Ｄ 図に示されている。第２Ｄ図の上側部分は場の中にある次々に直径が大きくなる 区域に於ける光線の位置の関数として、透過した垂直偏光の出力光線５８の強度 を表わす。第２Ｄ図の下側部分は、場の中での光線の半径方向の位置の関数とし ての強度を示す。 第２Ｄ図の上側部分は、光線の位置がフィルタの場の中心から周辺に進むにつれ て、出力光線の強度の進行具合を示している。強度が、一杯の強度を表わす「全 長」の線と、普通の強度よりも小さいことを表わす短くした線と、強度ゼロを表 わす点とで表わされている。１本の全長の垂直線によって表イフされた場の中心 に於ける光線は、偏光子から強度変化なしに出て来ており、フィルタと偏光子の 組合せがこの光線を移相又は減衰なしに透過させたことを示す。 短くなった４本の線によって表わされる次の区域から出て来る光線は、円（−光 になっていて、現在は普通よりも小さい強度で出力に透過した光線の垂直成分を 表わす。４つの点で表わした次の外側の区域からの光線は、９０°の偏光の回転 を受け、現在は偏光子によって排除され、ゼロの出力を生ずる。次の外側の区域 では、偏光子から出て来る光線は長さが短くなっており、それらが前は円偏光で あった光線から取出されたものであることを示す。図示の最後の区域では、出て 来る光線が４本の全長の垂直線で表わされており、光線が減衰なしにフィルタと 偏光子の組合せを透過したことを示す。 第２Ｄ図の下側部分は、場の広い中心区域にある光線が選択され、この中心区域 を取囲む２番目の一層狭い区域の光線が排除され、この２番目の区域を取囲む更 に狭い３番］」の区域の光線が、最初はＰ偏光の光線がフィルタと偏光子の組合 せを通過することによって選択されることを示している。 反射光線に対する偏光子５２の効果が第２Ｅ図に示されている。第２Ｅ図の−Ｌ 側部分は、場の中にある次第に直径が大きくなる区域に於ける光線の位置の関数 として、反射された水平偏光の出力光線の強度を表わしている。第２Ｅ図の下側 部分は、場の巾での光線の半径方向の位置の関数としての強度を表わしている。 第２Ｅ図の上側部分は、光線の位置がフィルタの場の中心から周辺に進むにつれ て、軸外に配置された光線５９の強度の進行具合を示す。強度は第２Ｄ図と同じ 様に示されている。１個の点で表わしたフィルタの場の中心にある光線は、偏光 の回転をせず、軸外に反射されない。短くなった４本の線で表わされる次の区域 の反射光線は、円偏光であって、普通よりも小さい強度で軸外に反射された光線 の垂直成分を表わす。４本の全長の水平線で表わされた次の外側の区域にある反 射光線は、９０’の偏光の回転を受け、この時は軸外出力中に減衰せずに現れる 。次の外側の区域では、反射光線５９は長さが短くなっており、それらが前は円 偏光であった光線から導き出されたものであることを示している。図示の最後の 区域では、反射光線が点で表わされており、光線がフィルタを透過したが、軸外 に反射されなかったことを示している。 第２Ｅ図の下側部分は、場の広い中心区域の光線が排除されることを示している 。中心の区域を取巻く一層狭い２番口の区域の光線が選択され、２番目の区域を 取巻く更に狭い３番目の区域の光線が、最初はＰ偏光の光線がフィルタと偏光子 の組合せを通過することによって排除されることを示している。 開口６７が重要なエレメントである第３Ａ図及び第３Ｂ図に示した実施例に取入 れる為、開口６７の断面が第２Ｄ図の実施例に加えられており、この間口６７が 偏光子の透過出力内に配置された場合、この場の広い中心区域を通過させると共 に、中心区域を取囲む２番目の区域（排除区域）の人体最低点と整合する様に設 定すべきである。この為、フィルタ、偏光子及び開口の組合せが、１本の帯の光 線を減衰させずに通過させ、物理的な開口６７にわたって、最小値から最大値ま でゆっくりと変化させ、その後最小値に戻る様にする。 球面光学透過フィルタと偏光子の組合せは、安定なＱ切換え形レーザ発振器の空 洞内に動作を改善する為に用いることが出来る。レーザ発振器及びその動作を第 ３Ａ図乃至第３Ｃ図について説明する。第４Ａ図乃至第４Ｆ図、第５図及び第６ 図は主にＱ切換え動作に関係する。フィルタと偏光子の組合せが、単一のＴＥＭ ｏｏモードでのレーザの動作を容易にすると共に、ＴＥＭ　及びＴＥＭ、ｏモー ドでのｌ 動作を抑圧する様に設計されている。単一モード動作の結果、出力ビームの一様 性が改善され、遠視野領域に於ける発散が改善される。 この組合せが、レーザ利得媒質の熱光学歪みの結果として、又は共振器の開口の 増大により、多重モードを発生するレーザの傾向を打消す。光学的な歪みは、単 一モードのビームを分断して、高次モードを発生する傾向がある。空洞内のビー ム開口を減少することを利用して、レーザのビーム・モードを制御することが出 来るが、その結果、強度の低い出力になり、利得媒質に貯蔵されているエネルギ の利用効率が悪い。これは、開口を通過しないエネルギが失われるからである。 弔−モード棒形レーザに対する典型的なビーム開口は、所望のモードの選択性を 得る為にフレネル数Ｎ、を１より小さく保つ様に設計されている。Ｎｆ−ａ２／ λしてあり、ａはレーザ・ビームの半径、λはレーザ・ビームの波長、Ｌは光学 共振器の長さである。ＴＥＭｏｏモードの動作に８冴な小さなビーム開口は、屈 折損失のみに関係する。面ポンプ形レーザに於けるフレネル数のモードの振幅及 び位相の関係が、アプライド・オブティクス誌、第１６巻、第１゜０６７頁以降 （１９７７年）所載のＭ、に、チャン他の論文「単一モード面ポンプ形レーザの 共振モード解析」に記載されている。Ｔ　Ｅ　Ｍ　ｏｏモードのビームの強度分 布はビームの中心に集中しており（ガウス形の強度分布）、これに対して高次モ ードでは、大部分の強度分布はビームの中心から離れている。レーザの多数の用 途では、ＴＥＭｏｏモードで動作し、レーザのエネルギをビームの中心に集中さ せることがレーザの効率的な動作にとって不可欠であるが、ビーム開口を制限し てモードを制御することにより、ビーム・エネルギ出力も制限される。この実施 例は、出力ビームのエネルギを増加すると共に品質を高める。 単一モードの動作用に設計されたレーザ装置が、四角な断面を持つ利得媒質の厚 板６０と、この厚板の」二側及び下側の側面に隣接して配置された光ポンプ手段 ６１と、光学空洞の一端を定める部分的に透明な第１のヱ坦な鏡６２及び光学空 洞の他端を定める第２の凹の球面鏡６３を含む光学空／ｌｕｊと、（Ｈｌれも空 洞内に設けられた波透過フィルタ１０と、ポンケル・セル６４と、偏光子５２と 開口６７とで構成される。厚板の内部で発生されて厚板を通過する光線が、厚板 の２つの端面を通過し、光学共振藩学／１ｉｉ１６２．６３に結合される。厚板 はＮｄ　：ＹＡＧ又はＮｄ：硝子又はレーザ動作が出来る様に設計された任意の 適当なレーザ材料であってよい。ボッケル・セル６４及び偏光子５２が、光学共 振器をＱ切換えモードで動作させる時に協働し、偏光子５２は発振を防止する為 に空洞からエネルギを方向転換する手段になる。部分的に透過する鏡６２は、空 洞からの光出力をそこで取出す点になる。 第３Ａ図及び第３Ｂ図のレーザ装置の光学エレメントが、Ｐ及びＳ軸に対して所 定の向きで、Ｚ軸に沿って配置される。前に述べた様に、第３Ａ図及び第３Ｂ図 のＰ及びＳ軸は、Ｚ軸の周り厚板６０の回転の向きによって定められる。 特に、厚板の端面６５，６Ｂは、上側及び下側の而に対し、ブルースターの角度 で切断されている。ブルースターの角度は、厚板の上側及び下側の而に対して垂 直な偏光を持つ光線（Ｐ偏光）が厚板に入射した時に反射がゼロになる角度を定 める。同時に、ブルースターの角度で切断することにより、次第に分散する水平 偏光の効果がある。これは、ある光線の水平（Ｓ）偏光成分が、厚板を通過する 度に、反射によって実質的な百分率（典型的には２０％）を失うからである。 第３Ａ図、第３Ｂ図及び第３Ｃ図に示すレーザ装置がコヒーレントな電磁放射の 持続時間の短い強度の強い偏光ビームを発生する。出力ビームに対するエネルギ が閃光電球６１によって利得媒質６０に供給される。これかポンプとして作用し 、利得媒質内に高エネルギの電子状態のポピユレーションの増加（又は反転）を 生ずる。閃光電球の毎回の閃光にともなって利得媒質に貯蔵されたエネルギが、 ボ、ツケル・セル６４の制御のもとに光学共振器から抽出され、「Ｑ切換え形」 の短いパルスの高強度の動作を行なわせる。 Ｑ切換え動作では、レーザ空洞の中に取付けられたボッケル・セルが電気的に制 御される光学シャッタとなり、共振器空洞を利得を禁止する状態（低Ｑ）及び利 得を許す状態（高Ｑ）の間で動作させる。ボッケル・セルは、その結晶成分に制 御電圧が印加された時、適当な偏光を持つ入射光に対して位相の回転を生ずるこ とにより、この変更を行なう。ブルースターの角度で切断された端面を使う結果 として、厚板６０はＰ偏光のビームを形成する傾向を持つ。 付勢されたボッケル・セルは、装置内で正味の９０’の偏光の回転を生ずるが、 偏光子５２と組合されると、始めのＰ偏光の放射を共振空洞から追出す。これに より、レーザ動作に必要な値よりも、空洞共振器の帰還が減少する。ボッケル・ セルに印加した制御電圧を取去ると、位相の回転が消滅し、Ｐ偏光を持つ光線に 対する共振器空洞の帰還が同１ＴＪＬで、レーザ動作が行なわれる様にする。 ボッケル・セルを付勢１−た動ｆｌにより、次の様に（７て、空ｄ・４内での共 振が防ＩＩ−される。ボッケル・セルが付勢状態にある時、ボッケル・セルを２ 回通過する偏光１．た光線の成分に対し、正味９０６の偏光の回転を生ずる。こ の２回の通過は、厚板６０から偏光子５２を介して端の鏡６３まで左向きの通路 と共に、境６３から偏光子５２を介して厚板６０へ向かう右向きの戻り通路Ｃ起 こる。厚板６ｏから偏光−）−５２に入射する略全部の光がＰ偏光であり、従っ てボッケル・セルに透過する。ボッケル・セルが付勢状態にある時、９０’の偏 光の回転を生ずる２回の通過により、光がＰ−先からＳ偏光に変換され、この状 態では、６８に示す様に、偏光子５２によって共振器から排除される。この光が 追出されることにより、共振器空洞の光学的なｒＱＪが共振状態を維持するのに 必要なレベルより低くなる。 ＱＵＪ換え形の短いパルスの動作が次の順序で行なわれる。 ポンプ用の「閃光」が発生する前、ボッケル−セルに制御電圧を印加して、共振 状態を防止すると共に、ポピユレーション反転動作を許す。ピーク（即ち、最大 のポピユレーションの反転）に達した時、ボッケル・セルに印加される電圧を取 去って、所望の持続時間の短い高強度の出力パルスを発生するのに必要な様に、 貯蔵エネルギが急速に欠乏する様にする。出力パルスが発生した直後、ボッケル ・セルに再び電圧を印加して、２番目のパルスを発生するのに適切なエネルギが 貯蔵されるまで、共振状態を防止する。 Ｑ切換え動作に対する上に述べた一連の事象が第４Ａ図乃至第４Ｆ図に示されて おり、第５図の制御回路を利用する。ｆＩＩ得媒質が閃光電球によって反復的に ポンプされ、第４Ｂ図に示す様にレーザ媒質内に時間依存性を持つ光学的な利得 をＦ！７つ。各々の順序の周期はｔｏから始まる。９０°の偏光の回転を行なわ せるのに必要な電圧が、ｔｏより前にＱスイッチに印加され、後で説明する様に 、閃光電球ポンプ期間にわたって持続される。ポンプ用の閃光の結果とし、て、 レーザ利得媒質内の光学的な利得が生じ、これは第４Ｂ図に示す様な時間依存性 を持つ特性を６する。Ｑ切換え動作の次の工程として、ボッケル・セルに対する 制御回路に予定の時刻（１＋　、１＝　）にトリガ・パルスが印加されて、ボッ ケル・セルの電圧を初期値からゼロまで所定の速度で減衰させる。これが利得媒 質に於ける電子反転の制御された欠乏状態を誘起し、利得媒質に於ける増幅作用 の制御された開始により、光学共振器内の共振を許す。 その効果として、ビームの品質が改善された出力レーザ・パルスが発生される。 第５図に示す制御回路を使って、第４Ａ図乃至第４Ｆ図の順序でボッケル・セル を作動する。第５図の制御回路では、電子制御のスイッチＳｌ、Ｓ２が２つのス イッチング回路を介してボッケル・セル（６４）に接続される。これらのスイッ チング回路は何れもコンデンサと２つの抵抗を持っている。各々のコンデンサ（ ０，００３マイクロフアラツド）が２０メグオームの抵抗と直列に接続され、こ の組合せが各々のスイッチと・ｌｋ列に接続される。第１のコンデンサと抵抗の 対の相互接続点がボッケル・セルの高電圧端子に中くらいの大きさの抵抗７８（ ５６Ｋ）を介して接続される。第２のコンデンサと抵抗の対の相互接続点が、ボ ッケル・セルの高電圧端子に小さな寸法の抵抗８ｏ（５０オーム）を介して接続 される。各々のスイッチＳｌ、Ｓ２の一方の端子及びボッ１７−ル・セルが大地 に接続されている。２回のビームの通過で９０″の偏光の回転を発生する（即ち 、１／４波長のλ別的な移相）を生ずる様に調節された値を持つ電圧源（図に示 してない）が、この制御回路に接続されて、ボッケル・セルを作動する。図示の 回路では、源の制御端子が３つの（参照数字をつけてない）隔離抵抗を介して、 スイッチＳ１、スイッチｓ２及びボッケル・セル６４の非接地端子に夫々接続さ れる。この例では、ＫＤ”Ｐボッケル・セルに必要な電圧は３．２キロボルトで ある。源の負の端子を大地に接続して、付勢回路が完成する。 動作順序では、時刻ｔｏ　（この時閃光ランプをターンオンする）の直前に、電 子制御のスイッチＳｌ、Ｓ２を開路にして、制御回路に高い電圧を印加する。こ の為、時刻ｔ０の直前から時刻ｔｏ乃至ｔ１まで、ボッケル・セルには一定の１ ，７４波長電圧が印加され、それが光学空洞の共振動作を阻止する。この阻止は 、第６図の透過分布８２で示す様に、光学装置の軸線からの半径方向の距離の関 数であり、特に、基準モードＴＥＭｏｏの共振並びに全般的な共振を防止する。 第６図では、半径方向の距離がレーザビームの寸法に対して正規化されている。 時刻ｔ１に、第４ｃ図に示す様に、電圧スパイクが発生し、電子制御のスイッチ Ｓ１を閉じ、ボッケル・セルの放電を第１の遅い減衰速度で開始する。ボッケル ・セルは約３０ピコフアラツドを持つ一杯に充電されたコンデンサと見なすこと が出来るがら、ボッケル・セルの電圧が、５６キロオームの抵抗７８とボッケル ・セルの容二によって定まる時定数で減衰する。 この放電通路のＲＣ時定数は数（例えば１−３）マイクロ秒程度であり、ｔｌ及 びｔ２の間の期間の間、第４Ｄ図に示す様な減衰速度を生ずる。ｔｌ−ｔ、期間 の間、ボッケル・セルに印加される電圧が徐々に低下して、第６図の８６に示す ？、”ｎな２番口の透過分布に対応して、空洞内の単一モードの動作に必要な閾 値より僅かに高い電圧になる。新しい分布（８６）は前の分布（８２）がら変化 しており、ゆっくりと成長する単一モードの種子ビームを発生ずることが出来る 様にする。第４Ｃ図に示す様に、時刻１．に、電子制御のスイッチＳ２が別の制 御パルスに応答して閉じる。これによって、ボッケル・セル６４の電圧に対し、 ５０オームの抵抗８０を通る第２の放電通路が閉じる。この放電通路のＲＣ時定 数は数（例えば２．０−４．０）ナノ秒程度、即ち、抵抗７８を通る放電通路の 時定数の約１／１．０００である。時刻ｔ２の後、第４Ｄ図に示す様にボッケル ・セルの電圧が急速に減衰する。ボッケル・セルの電圧が下がることにより、共 振器空洞内での内部帰還が成長することが出来、図示の３つの中間段階を経由し て第６図の８４に示す「最終的な」透過分布に達する。この状態で最大限の放出 の誘導が起こり、利得媒質内のポピユレーションの反転が急速に散逸するにつれ て、第４Ｆ図に示ずレーザ出力パルスが発生される。 誘導の結果として、第４Ｂ図の破線で示す自然の減衰が、４桁速められ、実際の 減衰は垂直の実線によって表わす方が一層正確になる。第４Ｂ図及び第４Ｆ図で はｔ２の後の勾配を示しであるが、マイクロ秒及びナノ秒の期間では、正確に例 示するには、時間の尺度を混ぜ合せることが必要になる。

【２から約３０ナノ秒 後に、１０乃至３０ナノ秒の（１ｆ続時間の短い出力パルス（第４Ｆ図に示す） が発生すると同時に、実際にポピユレーションが欠乏する（第４Ｂ図に示す）。 第３Ａ図及び第３Ｂの実施例に対する第６図に示した最終的な透過分布８４は、 第２Ｄ図に示したフィルタと偏光子の組合ぜによ−）て発生される透過分布と対 応する。これらの２つのエレメントが共振器空洞内に存在する時、それらが全体 的なレーザ装置に対して、Ｔ　Ｅ　Ｍ　００モードの動作に有利に働き、且つ純 度の高い出力ビームロ９を発生するのに有利に働く様な透過分布を加える。 第３Ａ図及び第３Ｂ図の実施例でＴ　Ｅ　Ｍ　ｏｏモードを選択した理由を簡単 に説明すれば、この透過分布がＴ　Ｅ　Ｍ　００モードのガウス形強度分布に近 似するからである。この為、Ｔ　Ｅ　Ｍ　ｏ　ｏモードの動作が容易になり、一 層高次のモードの動作は、それを容易にする為には空間的に両立しない強度分布 を必要とする為に、抑圧される。特に、Ｔ　Ｅ　Ｍ　ｏ　ｏモードのビーム強度 はビームの中心近くに集中するが、高次のモードのビーム強度は、ビームの中心 から離れた距離にわたって分布している。この発明のフィルタと偏光子の組合せ は、次に高次の２つのモードに対し、無損失に近い光透過特性を持たせる。この 結果、Ｔ　Ｅ　Ｍ　ｏ　ｏモードの動作を最大にする様に、光学空洞を条件づけ る。 ＴＥＭｏｏモードを選択する時のレーザ装置の動作は、更に第３Ｃ図について説 明することが出来る。この図は、３つの関連するモードにエネルギが普通に分布 している場合の、フィルタと偏光子の組合せの半径方向の透過分布を示している 。更にこの図は、空間フィルタと見なすことの出来る開口６７の効果及びレーザ ・ビームの強度分布を示している。開口６７による空間フィルタ作用の後の、共 振器空洞内のレーザ・ビームの分布は、鏡６２を通過した後の出力ビームの分布 に近く、この為両者はまったく同様と見なすことが出来る。 第３Ｃ図の上側のグラフは、入射光線の半径方向の位置の関数としての、フィル タ１０の差別的な移相を示す。移相は光線の座標の２次関数である。フィルタと 偏光子の組合せの透過分布が、第３Ｃ図の２番目のグラフである。この分布は、 透過が大きい広い中心区域、透過が少ない一層狭い（その周りの）第２の区域、 及びそれを取囲む更に狭い、透過の大きい第３の区域を含んでいる。ガウス形Ｔ ＥＭｏｏモードは、透過分布よりも幾分狭い強度分布を持っており、略減衰なし に出力に通過する。これが第３Ｃ図の１番下のグラフに示されており、これがレ ーザの出力ビームの強度分布である。 ２つの高次モードの排除も、こういう強度分布を示す第３Ｃ図を用いて説明する ことが出来る。次の高次モード、即ちＴＥＭｏ１モードは、ビームの中心で低で あってフィルタと偏光子のＸ■合せの透過分布の極小値の近くに２つの極大値を 持つ強度分布を有する。こういう区域は幅が同じでないのが普通であり、その為 排除は完全でないことがある。 然し、空間フィルタとして作用する開口が、フィルタと偏光子の組合せの第２の 区域に於ける透過が最小の点に大体設けられると、普通は別のＴＥＭｏ１モード の通過の抑圧作用が行なわれる。この為、ＴＥＭｏ、モードの潜在的な寄与は非 常に小さく、適当な設計では、実際の寄与は無視し得る。 ２番目の高次モード、即ちＴＥＭ、。モードも潜在的に存在しているが、設計で 抑圧される。このモードの強度分布では、エネルギが同等の強度を持つ３つのピ ークに分布している。ＴＥＭ、ｏモードの中心の強度ピークは、フィルタと偏光 子の透過分布の中心にあり、これも透過ピークでもある。更に、ＴＥＭ１ｏモー ドの外側の２つのピークは、フィルタと偏光子の組合せの外側の２つの透過ピー クと空間的に重なり合う。この為、ＴＥＭ１ｏモードは存在すると予想し得る。 空間フィルタ６７が外側の２つのピークを排除し、こうして、普通はこのモード を抑圧するのに十分な程度に、ＴＥＭ、ｏモードのエネルギのかなりの部分を取 除く。 実際には、共振器空洞に於けるモードの選択機構は相互作用をし、純粋に近いＴ ＥＭｏｏモードの動作を達成するのに不所望のモードの排除は完全である必要は ない。 第３Ａ図乃至第３Ｃ図の実施例のフィルタと偏光子の組合せは、レーザ動作で幾 つかの重要な利点をもたらす。これらの利点は主に不所望の高次モードが抑圧さ れること、並びに所望のＴ　Ｅ　Ｍ　ｏｏモードが選択されることによるもので ある。単一モード動作の１つの結果として、空洞の内部及び外部の両方で品質が 一層高いビームが発生される。特に、ビームを横切る位相及び振幅（強度）が一 層正確であり、遠視野発散が減少する。２番目の効果は、単一モード動作の間接 的な結果であるが、開口を用い、その縁をＴＥＭｏｏモードの最小点に置くと、 開口が「軟らかい開口」になる。つまり、ビームの強度が開口の縁で小さく、他 の場合にはその境界でビームの品質を悪くする様なフレネルの縞が存在しない。 実際の設計では、約４のフレネル数をＰｊつ球状に設計のフィルタを用いて、両 方の次元で安定なモードで空洞を動作させる。断面が８Ｘ１６ミリの厚板内で、 ビームの直径は約４ミリである。パルス１個当りのエネルギは約１５０ミリジユ ールである。 円柱面光学透過フィルタと偏光子の組合せを安定／不安定Ｑ切換え形レーザ発振 器の空洞に用いて、動作を改溌することが出来る。レーザ発振器及びその動作を 第７Ａ図及び第７Ｂについて説明する。 安定／不安定Ｑ切換え形レーザ発振器それ自体は、１９８５年５月１７０に出願 された先願の国際用ｊＩＪｉ　Ｐ　ＣＴ　／　ＵＳ　８５１００９０４の対象で ある。 第７Ａ図及び第７Ｂのレーザ発振器は、矩形断面を持つ利得媒質の厚板８１と、 この厚板の大きい方の側面に隣接して配置された光学ポンプ手段８２と、光学空 洞の一端を構成する第１の凸の円柱鏡８３及び光学空洞の他端を定める第２の凹 の球面ｍ８４を含む光学空ｄ４と、Ｍｌれもこの空Ａｕｊ内に配置されたボッケ ル・セル８５、偏光子８６、矩形開口８７、偏光子８９及び調節自在の円柱形フ ィルタ９０とで（を成されている。 光学発振器の光学的な素子が、第７図Ａ及び第７Ｂ図の両）ｊに示す様に、装置 の光軸（Ｚ軸）に沿って配置されている。左から右の順序で、凹の球面鏡８４が 最初であり、ボッケル・セル８５が２番目であり、その後に偏光子８６、厚板８ １、開口８７、偏光子８９、調節自在の円柱状光学透過フィルタ９０及び凸の円 柱鏡８３が順次続く。 １ノ−ザ発振器の光出力が、９８に示す様に、偏光子８６の左側の面からの反射 によって取出される。使われない出力９７も、偏光子８９の右側の面からの反射 として表わされる。使われない出力９７は、偏光子とフィルタの組合せ（８９， ９０）の動作の結果として、光学共振器の主通路から不所望のエネルギを捨てる のに役立つ。これが、共振器の不安定軸線に沿って有効な「軟らかい開口」とな る。 偏光子とフィルタの組合せが、良い品質の出力ビームを発生しながら、大きな開 口（例えば不安定軸線に沿って計ってフレネル数が４０）で、矩形厚板レーザを 用いて、高いエネルギでレーザ発振器を動作し易くする。 空洞の長さくＬ）凸の円柱鏡８３の半径（Ｒ１）及び凹の円柱鏡８４の半径（Ｒ ２）が光学共振器を定め、この中で安定な動作がビームの垂直次元で達成される 。ビームは発振器の開口を越えてＰ次元の垂直方向に拡大することが出来ない。 水平次元で不安定動作が達成され、ビームは装置の開口を越えてＳ次元で拡大す ることが許される。 上に引用した出願に記載されている様に、その端面をブルースターの角度で切断 した厚板８１は偏光選択作用を持ち、これによって厚板が、端の鏡８３．８４に よって限定された光学共振器を往復するＰ偏光を持つ光線（９５）に光学的に結 合される。上に引用した構成では、ボッケル・セル８５が空洞内で可変光学エネ ルギ分割器として作用し、出力に転換される光を調節することにより、レーザ動 作を容易にしたり或いは防止したりすることが出来る。普通、ボッケル・セルは 中間の設定状態で動作させ、この時、空洞内に保持される光ユと空洞から出力に 方向転換されるユとを調節して、出力を最適にする。第７Ａ図及び第７Ｂ図の実 施例では、厚板の右側で、偏光子とフィルタの組合せ８９．９０（これは引用し た構成では存在しない）が協働して、前に述べた軟らかいフィルタ作用を行なう 。 第７Ａ図及び第７Ｂ図のレーザ発振器は、光が共振器の中の続く通路を辿ること によって発振し、矩形レーザ厚板８１の右側の而から出たＰ偏光を持つ光線９５ がＺ軸に沿って、偏光子８９を介してフィルタ９０へと右へ進む。厚板８１から 偏光子８９を介してフィルタ９０へ続く垂直線（９５）は、Ｐ偏光の光がフィル タ９０に通過することを示す。フィルタ９０を通過した時、ビームの個々の光線 の偏光成分が、各々の光線のＳ座標に従って、相異なる偏光回転を生ずる様な個 別のトロ異なる移相を受ける。円柱形フィルタの偏光特性は、球状フィルタによ って発生されるビームの断面にわたる偏光の回転を示した第２Ｃ図の上側部分に 示すものと比肩し得る。円柱状装置９０の偏光特性は、第２Ｃ［ｆｆｌに示した 垂直分がなくて、水平分がそのま＼残るものということが出来る。更に具体的に 云えば、これはビームの中心を通る第２Ｃ図の水平部分ということが出来る。 フィルタ９０によって修正された光線は、この為、第７Ａ図では、交互の円と垂 直線によって９６に近似的に示されており、第７Ｂ図では、ある程度の偏光が混 ざっていることを示す円によって表わされている。フィルタを通った光線が引続 いて右に進み、凸の円柱鏡８３に入射する。鏡８３は１００％の反射彼覆を持っ ており、これによって光線が左に反射される。装置の軸線に対する円柱鏡８３の 向きは、Ｐ−Ｚ平面に於ける鏡のトレースが直線になり、Ｓ−Ｚ平面に於ける鏡 のトレースが半径Ｒ１を持つ円になる様になっている。 鏡８３から左へ反射された光線は、前に述べた混ざった偏光９６を持っており、 フィルタ９０の左の面に再び入る。 光線がフィルタの左の面から出て行き、偏光子８９の右の面に入射するまで、左 へ進む。Ｐ偏光を持つ光線成分（９５）は、実質的に反射なしに、偏光子８９を 通って厚板８１の右の端まで進む。９７に示す様に、フィルタ９０の左の面を出 たＳ偏光を持つ光線成分（９７）は、偏光子８９の右の面へ進み、軸外に反射さ れ、図示の様に捨てられる。 次に厚板８１の左側について説明を続けると、厚板８１の左側の面を出たＰ偏光 を持つ光線成分は偏光子８６を通ってボッケル・セル８５に進み、実質的に反射 なしに偏光子を通過する。ボッケル・セルが４５″の偏光を行なう様な適当に付 勢された状態にあると仮定すると、右からボッケル・セル８５に入ったＰ偏光を 持つ光線成分が４５°の偏光の回転を受け、第７Ａ図及び第７Ｂ図の９９に示す 様に円偏光を生ずる。凹の球面鏡８４から反射され、ボッケル・セル８５を２回 目に通過した時、前は円形のＰ偏光であった光線成分９５が更に４５″回転して 、Ｓ偏光（９８）に変換される。偏光子８６の左の面に入射する時、Ｓ偏光の成 分９８が輪列に差向けられ、これがレーザ発振器の主出力通路を形成する。 ニーの例に示したボッケルΦセルの設定状態は、光学共振器内の嬬還をゼロに減 少するものであり、発振を消滅さ仕る為に使われる。実際には、ボッケル・セル に対する電圧は中間の選択であ−）で、空洞から取出される光と空洞の中に残る ことを許す光との間で分割が行なわれる。 安定／不安定共振器の動作につい゛Ｃ説明すると、上に述べた通路を辿るビーム が、球面鏡８４の曲率と、実効的にＰ次元で・■上用である鏡８３とにより、周 期的にＰ次元に再び集束される。この為、ＪＬＮ器の光学的な設計は、レーザ材 料の中で妥当なビー１．の寸法が得られる様に選ばれる。 ビームの垂直寸法は典型的にはレーザ厚板の断面の大体半分、例えば４ミリであ り、フレネル数は約４である。設計の他の次元は、次の通りである。厚板は長さ １３９．３７ｍｍ、幅１５市、厚さ８市、Ｒ１は６ｒｎ、Ｌ（空洞の長さ）は１ ｍである。 不安定軸、即ちＳ次元に沿って、モードは正式には限定されず、空洞の中を辿る 時、個々の光線は装置の横方向開口から「置去るＪ　（ｗａｌｋ　ｏｒｒ）。実 例では、円柱鏡の曲率゛ト径（Ｒ２）は４ｍであり、安定係数“Ｇ′が１．２５ である。更に大きなフレネル数（例えば４０）が許されるが、フィルタと偏光子 の組合せが存在しない場合、開口の横方向の縁に於けるフレネル屈折効果により 、ビームの品質が崩れる。Ｓ次元に於けるビームの強度分布にテーバがあること により、ビームの品質が目立って改善され、或いは逆に、同じビームの品質で、 一層高いエネルギ動作又は一層大きな開口が得られる。 第７Ａ図及び第７Ｂ図の実施例の右側に示したフィルタと偏光子の組合せ９０． ８９は、「軟らがい」横方向開口を作り、縁回折効果を少なくする。典型的には 、開口の側縁に対］７、フィルタ９０の設計は、第２Ｄ図の下側部分に示した強 ＋Ｕのグラフに対応して、偏光子８９を透過した波にχ↑し、開口の縁でゼロを 生ずる様に調節される。第２Ｅ図の一ド側のグラフに示す様に、空ルｊがら反射 波が追出される。 第７Ａ図及び第７Ｂ図の形式に於けるフィルタと偏光子の刊合せの１１１点は、 主に「軟らかい」横方向の開口の結果である。この時、開口のＳ座標に沿って、 第２Ｂ図乃至第２Ｅ図の一連の曲線に全体的に従う様な段階的な減衰が生ずる。 主な効果は、開口の横方向の縁に於けるビームの振幅を減少することにより、フ レネル縁屈折効果を避けることである。こういう縁に於ける強度は、この減少が ないと、許容し難い程高い値に止どまる。不安定軸に沿ってモードが限定されて いないと云う認識のもとに、横方向の振幅の調節により、厚板の幅寸法を更に大 きくすることにより、厚板から幾分か更に効率よく貯蔵エネルギを抽出すること が出来る。 実際の用例では、フィルタ９０は第１Ｃ図に示す調節出来ない形であっても、或 いは第１Ｄ図に示す調節可能な形式であってもよい。原理的には、フィルタの２ つの部品の中心の厚さは等しくすべきであり、調節自在の構成により、これを等 しくすることが最も容易に出来る。 フィルタと偏光子の組合せは、第８Ａ図に示す様に、レーザ発振器の出力を増幅 する為に使われるレーザ増幅器のｍ互作用容積を更に十分に利用するのに有利に 用いることが出来る。ｊｌｉ−横方向モード（Ｔ　Ｅ　Ｍｏ　ｏ　）で動作する レーザ発振器からのガウス形強度分布１１４は、レーザ増幅器１０８の人力開口 １０７に印加する前に、フィルタと偏光Ｔの組合せ１０３．　１０４．　１０５ を作用させることにより、一層「頂部平坦」に近いビーム強度分布１１５に変換 することが出来る。「頂部平坦」なビーム強度分布１１５は、増幅器から貯蔵エ ネルギを一層効率よく抽出する為に好ましい。 第８Ａ図に示す装置は前に述べた様に作用する。垂直マーク及び水平マーク１０ ９，１１０で示したレーザ発振器１０１の出力はＰ偏光及びＳ偏光の両方のある 成分を含んでいると仮定することが出来るが、Ｐ偏光が主な偏光である。発振器 の出力は、他の点では、第８ｃ図の１１４に更にｉｌＥ　＆ｆに示す様に、理想 的なガウス形振幅分布を持つと仮定することが出来る。レーザ発振器の出方が右 へ進み、次に偏光子１０３に入射する。この偏光子がＰ偏光の光をフィルタ１０ ４に透過させると共に、Ｓ偏光の光を透過通路から追出す。偏光子１０３は、レ ーザ発振器の出力がＰ偏光に制限されていれば、この装置の動作に不可欠ではな い。 フィルタ１０４は、第１Ｂ図に示す様に、調節自在の球面形の２枚のレンズを持 つフィルタであることが好ましい。 このフィルタの最初のレンズが複合レンズであって、２番口のレンズの中心の厚 さに対し、１番目のレンズの中心の即さを調節する為の摺動自在のくさびを含ん でいる。フィルタ１０４の２枚のレンズの結晶光軸が互いに直交すると共に、Ｐ 座標に対して４５″の角度を持つ。レンズの曲率は、ビームがフィルタを１回通 過する時に、所望の偏光の回転が得られる様に選ばれる。レンズの曲率半径は、 ビームの設計上の断面によって決定される。特に、１回通過形の設計では、０． ９０ＣＩ１１のスポット直径には、約３３ｃ＋ｎの曲率半径が必要である（２回 通過形では、曲率半径は約２倍になる）。 フィルタを通った光が次に偏光子１０５に入射する。この偏光子は偏光子１０３ と平行な向きを持ち、Ｐ偏光を持つ光線成分を透過させると共に、Ｓ偏光を持つ 成分を反射する。フィルタ１０４によって生ずる偏光の回転の為、Ｓ偏光の成分 が現れると、偏光子１０５によって、透過通路からの反射によって追出される。 透過した残りが、レーザ増幅器１０８の開口１０４に供給される。フィルタのレ ンズを球状の設計にしたのは、レーザ材料の相互作用断面が四角であり、入口開 口１１４が円形であると仮定している為である。球状の設計により、ビームのＰ 座標及びＳ座標の両方に沿って充填率が改善される。 フィルタと偏光子の組合せの透過分布が、１番目のレンズの中心の厚さの５種類 の調節に対し、第８Ｂ図に示されている。第８Ｂ図の独立変数はビームの半径で あり、従属変数は相対的な光学透過率である。レーザ増幅器の入口開口１０７は 、増幅器の能動レーザ材料の所望の相互作用断面内に丁度入る様に調節すべきで ある。人口開口１０７は、フレネルの縞を最小限に抑える為に、透過特性の最小 値の所に設定される。レンズが等しい中心の厚さを持つ時、透過分布】】１に従 う。この分布は、ビーム半径の約０．２までは１に近い状態である。その後、ビ ーム゛１′径の０．４の所で約８５％に下がり、次にビーム半径の約０．８の所 でＯに下がり、こ〜に開口を置くべきである。 然し、中心の厚さの差が増加すると、分布の中心に於ける透過がドがり、ビーム 幅が増加する。一群の曲線の内の１番右側（１１２）では、ビーム幅により、ビ ームの中心に於ＩＪるｆｉ通過率０．８５になる。透過率が０．８５の点に於＋ するビームの幅が、ビーム半径の約Ｏ１４から０．　５５に増加する。この低い 点で測定したビームの幅が、約０゜８から０，０９に移り、レーザ増幅器の人口 開口を設定する新しい位置を定める。 ビームの「充填率」は、典型的な場合には、適当な設計パラメータを使うことに よって４０％の値から７０９６に増ＩＪＩＩすることが出来る。「充填率」は、 レーザ動作飼料の容積が一杯の強度の放射によって完全に充填された理想的な場 合に較べた、ビームが占めるレーザ動作材月の容積の端数と定義する。一定の娠 幅では、理想化したビームに作用する開口の鋭い縁により、著しいフレネル回折 効果が生ずる。従って、１００％より実質的に小さい「充填率」が実際の、望み ｉする折合いである。 この発明を用いることによって達成される更に最適に近い透過ビームの分布の例 が第８Ｃ図に示されている。第８Ｃ図では、ガウス形入力ビームの強度を１１４ で示してあり、フィルタと偏光子の組合せの透過が１１３で示されており、分布 を改濤した透過ビームの強度を１１５に示しである。第８Ｃ図の計算によるグラ フでは、透過ビームの強度はビームλ１１径の約０．３５までは略一定に止どま り、ビーム半径の０．９より僅かに低い所で０に下がる。人口開口１０７はこの 値に設定すべきである。第８Ｃ図で用いた透過曲線１１３は、中間のもの、即ち 第８Ｂ図に示した内の右から２番Ｉ」である。フィルタと偏光子の組合せにより 、大幅に変化する透過特性が得られる。半径方向の位置に依存性を持つ移相を一 方の平坦な面と正又は負の曲率を反対側の面に持つ複屈折レンズによって制御す ることが出来る。 これは次の式によって定義される。 δ（ｒ）＝　（２πΔｎ／λ）［１±ｒ２／２Ｒ］こ＼でｔはレンズの中心の厚 さ、Ｒはレンズの曲率半径、ｒはレンズの半径、Δｎは複屈折率、λは光ビーム の波長である。理想的な均質線形移ｔｆＪ遅れ行列はである。こＮでＡ＝［ｃｏ ｓ（δ／２）　］　］＋　［５ｉｎ（δ／２）ｃｏｓ２θ］、ＡｘはＡの複素共 役、Ｂはｓｉｎ　（δ／２）ｓｉｎ２θに等しく、δは位相遅れ角（即ち、差別 的な位相遅延）に等しく、θは基１　（Ｐ）偏光に対する結晶光軸の方位角に舌 しい。０−４５’である時の透過強度はＴ　（ｒ）　−ｃｏｓ’　［δ　（ｒ　 ）　／　２コ大きさが等（、いが反対の曲率を持つ釣合う一組の位相遅れ仮によ ってレンズ効果を避け、望まし５くないビームの拡大を避けることが出来る。曲 率半径Ｒ１厚さｔ及び方位角θの適当な紹合せを選ぶことにより、偏光子と組合 されるフィルタ装置の特定の利ｉす媒質に対する特定の波長に対し、広い範囲の 種々の透過特性を選択することが出来る。 第２図に示す様に２枚の平行な偏光子の間に２枚のレンズを配置した場合の行列 は、次の様に書くことが出来る。 ＡＩ−［ｃｏｓ　（αｌ　／　２）　］＋　ｊ　［５ｉｎ（α＋　／２）　（ｃ ｏｓ２θ、）］Ｂｌ　−［５ｉｎ（αｌ　／２）　（５ｉｎ２θｌ）］α１はＡ 、Ｂ、の位相遅ね角である。従って、透過強度Ｔは、Ｔ−ＭＸＭで Ｔ−（Ａｔ　Ａ＝　−Ｂ＋　Ｂ＝　）’　（ＡＩ　Ａ、？　−Ｂ＋　Ｂ？　）θ １−４５°及びθ２−４５°　（結晶軸の直交配置）ではＴ　−ｃｏｓ２（α１ ／２−αう／２）釣合う凹及び凸の位相板では ニーでｒは半径、Ｒは曲率半径、Δｎは複屈折率、ｔｌ　−ｔ、は中心の厚さの 差、λは波長である。前に述べた様に・中心の厚さが等しくない時、最大の透過 が中心から変位する。両方のレンズの中心の厚さが等しい時、最大の透過が中心 から変位する。両方のレンズの中心の厚さが等しい時、最大の透過が中心で得ら れる。即ち、ｒ−０，レンズの厚さが等しい場合、ｔｌ　−ｔ２−０であり、２ 回通過した時の透過は、次の様に表わすことが出来る。 Ｔ　（ｒ）　＝　ｃｏｓ２［２ｙｒΔｎｒ２／Ｒλ］位相板の曲率半径Ｒは、所 望のビームのスポット寸法に基づいて選ばれる。この式は、零次球状遅れ装置の 板に対する設計パラメータを選択することにより、位相板の中心に於ける光の透 過が殆んど１００％になることを示しており、空洞内のビーム半径は、レーザ利 得媒質の利用度を最大にする為に拡大し、同時にビームの半径にオ）たって、ビ ーム透過特性をその最適値に保つことが出来る。 第９Ａ図、第９Ｂ図及び第９Ｃ図はレーザ源の出力ビームの位相補正の為に、特 に第１Ｂ図のフィルタを使う場合を取−Ｌげている。フィルタが正しく設計され て調節された時、開口の大きい面ポンプ形１．−ザ共振器及び増幅器に於けるビ ームの品質を改善する簡ｒドで効率のよい実用的な手段が得られる。この補正は 、共振器のモーにの形成と、こういう状況で形成されるビームの遠視野回折の数 学的な解析から導き出される。共振器内のビームの半径方向の位相偏移は共振器 のプレネル数が増加するにつれて増加し、この共振器内で形成される遠視野ビー ムの発散は、共振器内のビームの半径方向の位相偏移か増加するにつれて増加す る。この様なＪｌ−４１に器又は増幅器の出力に、ビームの遠視野発散を減少す る様に最適にした、正しく設計さイ１て調節された位柑捕ＩＦフィルタを用いる と、有害な副作用なしに、出力ビームの品質が改善される。この改善は、安定又 は不安定共振器の両方を含めて、大きなフレネル数を用いる共振器に用いられる 。 この？ＩＩｉ正は共振器の半径方向の位相偏移に用いられるが、この補正を光学 増幅器の出力に用いてもよい効果が得られることに注意されたい。この位相補正 方式は、内部の半径方向の位相偏移を持つある光学増幅器、又は定められた半径 方向の位相偏移を持つ共振器から入力に供給を受ける光学増幅器に用いることが 出来る。 第７Ａ図及び第７Ｂ図に示す様な矩形厚板の形状を持つ面ポンプ形レーザ（Ｆ　 Ｐ　Ｌ）では、ビームの大きなガウス形強度分布を発生することが可能である。 ビームの強度分布はＴＥＭｏｏモードに於けるガウス形強度ビームの分布と同様 であるが、この大きなガウス形ビームの測定された遠ン見野のビームの発散は、 回折によって制限される場合よりも、何倍も大きい。この為、見かけのガウス形 強度分布が存ト（：するごとか、回折によ−ノて制限されたビームの発散に対す る必要条件であるが、寸分条件ではない。 １１５ｔｒｉによると、この様なビームでは、共振器のフレネル数か増加Ａるに 一つれて、ビームの中心と縁の間の半径方向の！＋７．　＋＋１偏移か増：Ｉ！ １することが１′Ｊ１つた。これは安定な場合及び不安定な場合の百）ｉについ て云えることである。更に、共振器の空洞の長さが一定の場合、ビームの開口寸 法が増加するにつれ゛Ｃ１半径方向の位相偏移が増加する。 ポイヘンスーフレネルの原理を用いると、共振器のモード内の各点は、共振器の 向い合・ンた反射器上の全ての点からの寄与に基づく。この為、共振器のフレネ ル数が増加するにつれて、共振器の向い合った反射器の全ての点からの通路長の 差が増加する為に、モードの半径方向の位相変化が増加する。 」１．振器のモードは、キルヒホッフ−フレネルの回折理論に基づいて解析する ことが出来る。１次元の場合Ｔｕ（ｘ２）−ｆ　Ｋ［ｘ＋、ｘ２］ｕ（ｘｌ）ｄ ｘ＋こ〜でＵ（Ｘ：）は反射器２に於ける共振器モード（面々ベクトル）、Ｔは モード減少係数（固有値）、Ｋ［ｘ＋。 Ｘ２］は共振器の形状（核）、ｘ＋＋Ｘ２は反射器１及び２の座標、ａｌは反射 器１に於ける開口の半寸法である。 上に述べた所から、この結果前られるモードＵ　（Ｘ）を次の様に定義すること が出来る。 ｕ　（ｘ）　−Ａ　（ｘ）　ｅｘｐ　［−ｉφ（ｘ）コこ＼でＡ　（ｘ）はモー ドの振幅、φ（Ｘ）はモードの座標依（ｊ性を持つ位相である。 ビームの遠視野発散は、共振器のモードの遠視野積分によって評価することが出 来る。これは、フラウンホーファー回折理論に基づいて行なうことが出来る。こ の理論では、回折角度に依存性を持つ遠視野ビーム（Ｖ　（ｐ）　）の根拠か定 められている。 Ｖ　（ｐ）　−ｆ　ｕ　（ｘ）　ｅｘｐ　［−１ｋｐｘｌ　ｄｘこ＼でに一２π ／λで波動ベクトルであり、λは波長、Ｕ（ｘ）は共振器のモード、ｐは回折角 の座標、Ｘは物理的な座標、ａは開口の半寸法である、この為、回折角に依存性 をｔ！ｊつビームの遠視野強度は １　（ｐ）　＝Ｖ　（ｐ）　２ｅｘｐ　［−ｉ　ｆ　（ｐ）　］である。ニーで ｆ　（ｐ）は遠視野強度の角度依存性を持つ位相、ｐは回折角である。 共振器のモードの回折角に依存性を持つ遠視野強度パターンは、全体的に第９Ｂ 図及び第９Ｃ図に示すのと同じ形であり、透過フレネル数が増加するにつれて、 次第に一層発散性になる。２．５乃至７．５の範囲内では、ビーム幅が５關から ８．７５正に変化し、モードの最大位相偏移は、回折によって制限されたビーム の発散の約１．２倍から５゜１倍に増加する。 遠視野に於ける位相偏移の影響が第９Ｄ図に示されている。水平座標は相対的な ビームの遠視野発散であり、垂直座標は正規化された遠視野強度である。個々の 曲線は、）０異なる位相偏移に対して描かれている。「位相偏移」は、一定振幅 のビーム（遠視野）に対し中心とビームの縁の間で観察される位相差である。個 々の曲線は、０から２πまで０．２πの間隔で描かれている。ニーに示した最大 の位相偏移（２π）は最大のビームの遠視野発散を持ち、最低の位相偏移（単一 位相）は回折によって制限されたビームの遠視野発散を生ずる。 第９Ｄ図は、モードの最大位相偏移が大きければ大きい程、ビームの遠視野発散 が大きいことを示している。位相偏移が増加すると、ピーク強度がビームの中心 から動き、ビームの発散が増大する。簡単に云えば、ビーム幅、モードの位相偏 移が出力ビームの遠視野発散に影響する。 解析によると、不安定共振器では、ビームを横切る位相偏移は、ビーム開口の寸 法が増加する時、割合滑かに増加することが判った。更に解析によると、大きな ガウス形モードを持つ安定共振器でも、同じ割合いになることが判った。従って 、この位相偏移が単純な石英の半径方向位相板によって生じたものであると云う モデルを使い、このモデルを使って対応する補正を行なうことが可能である。 φ（ｒ）＝　（２πΔｎ／λ）［ｆ＋　（ｒ２／２Ｒ）コこ＼でΔｎは複屈折率 であり、λは波長、ｒは半径方向の距離、１は中心の厚さ、Ｒは曲率半径である 。 ビーム開口の相異なる［、？ｉ本本化一対する前述の半径方向の位相関係から、 石英レンズの計算による透過半径をめることが出来る。第９Ｂ図及び第９Ｃ図は 、夫々不安定共振器及び安定共振器に対し、この位相補正方式によって得られる 遠視野強度の改４を夫々示している。 第９Ｂ図及び第９Ｃ図の例で行なわれる位相補正は、回折によって制限されたビ ームの発散の２倍未満の遠視野発散を生ずることが判る。 第９Ａ図の実施例は、第９Ｂ図又は第９Ｃ図の何れかの例の捕ｉＩ−を行なう様 に調節することが出来るが、レーザ源１１０と、第１Ｂ図に示すのと同様な調節 自在の球面フィルタ１１１と、ビームをスクリーン１３に集束する為のコヒーレ ン）・な正確さを持たせる為の便宜の為に設けられた集束レンズ１１２とで構成 されている。スクリーン１１３に入射する時のビームの断面の強度のグラフが１ １４に示されている。レンズ・エレメント１１２は、部屋の範囲内で遠視野状態 を再現することが出来る様にする為に設けられている。精度の為、レンズの焦点 距離は、利用し２得る空間に１し合う範囲で出来るだけ大きくすべきであり、そ の面は誤差を導入しない様に、波長の端数の精度にしなければならない。レンズ １１２が存在しない時、遠視野状態にと−）て適切な最も近い測定距離で、遠視 野パターンを検査することが出来る。 第９Ｂ図のフィルタは、円柱形レンズ面を用いた調節自在の設＝１で、石英を利 用【７ている。部品としてのレンズは中心の厚さの差が０．０７１６ｃｍであり 、曲率半径が７゜１１ｃｍである。「Ｓ」座凛のＭ］定値を使うと、ビームの幅 は８．７５ｍであり、「等価」フレネル数は７，５であり、」ξ振器の光学系の 倍率は１．５である。 第９Ｃ図のフィルタも、球面を用いた調節自在の設計の石英である。レンズの曲 率半径は２９．５６ｃｍであり、レンズの中心の厚さの芒は０．０５３４ｃｍで ある。ビーム幅は６市であり、フレネル数は８．５であり、パラメータＧは０． ８３である。 第９Ａ図、第９Ｂ図、第９Ｃ図及び第９Ｄ図について説明した位相補正は、偏光 した出力ビームが得られ、且つフレネル数が２又は３を越える様ｔレーザ装置に 主に用いられる。この改良は、ビームが泪かなガウス形分布又は「頂部平坦」形 の分布に近い様な開口が一層大ぎい（即ち、フレネル数が４０と云う様に大きい ）レーザ装置にも用いることが出来る。実例では、位相偏移がπより低い並びに 高い両方の場合のビーム対して、補正が行なわれた。２πを越える位相偏移は、 実質的な位相補正にとって実際上のト限を表わすものと思われる。 こ〜で行なわれる様な位（■補償は、ビームの位Ｉ［Ｉ偏移が安定な共振器又は 不安定な共振器に於ける様に、円形の対称性を持つ場合、釣合う球面レンズを用 いたフィルタを使って使うことが出来る。共振器が安定／不安定共振器である場 合、位相補償は、安定軸及び不安定軸に沿った位ｔ口補償を別々に補償する為に 、別々の円柱状エレメントを必要とすることがある。遠視野ビームを改善する為 に補償を用いたが、典型的にはビームの近現野状聾も改善される。 ニーで説明した調節口（Ｌの形式のフィルタは、フィルタの処〕ｊに於（３る重 要な１つの変数を取去り、所定のレーザ′Ｊｃ１１’？の用途でｆａ通性を高め る点で役立つ。 遠視野の補正では、光学）（振器によって形成されたビームか位相補正を必要と する３つの場合がある。不安定共振器で形成されたビームでは、調節自在の球状 光学系が適切である。安定／不安定共振器で形成されたビームでは、調節自在の 円柱状光学系が適切である。両方の場合、正式のモード構造が存在しない場合、 ビームの縁に近付くにつれで、位相偏移がかなり増加する。補正を必要とする３ 番目の場合は、基本モードが優勢ではあるが、他の高次モードの寄与を若干伴な う様な光学共振器でビームが作られる場合である。遠視野補正では、位相変位の 補正は、軸上でゼロである必要はなく、一般的に小さく、ビーム・エレメントの 半径方向の距離が増加するにつれて増加するのが普通である。 近視野の用途では、ビームの分布が修正され、フィルタが偏光子とＸ■合せて使 われる場合、調節自在の特徴により、位相補正が正から負に変化してゼロを通過 し、透過が最大になる様な、軸からの距離を選択することが出来る。分布の変更 では、調節自在であることが性能を最適にする為（：もＴＪ！要である。 第３Ａ図及び第３Ｂ図の実施例の安定共振器に用いられるフィルタ］０は、中心 厚さが等しい球面レンズを用いており、球面の曲率半径は２９．７２ｃｍである 。想定するビームの直径は６■である。第７Ａ図及び第７Ｂ図の実施例の安定／ 不安定共振器で使われるフィルタ９０は、不安定軸（Ｓ　）に沿って水平平面内 で測定して、曲率半径が８２゜５４国に等１７い。フィルタ９０は調節自在の構 成であり、従って、この調節は、中心の厚さが等しい時に最適の性能がｉすられ る様に設定される。安定／不安定共振器に於けるビームの大きい方の横方向の寸 法は１印である。 ＦＩＧ、　２８　ＦＩＧ、　２２ ＦＩＧ、　２ＣＦＩＧ、　２０ ＦＩＧ、　６ ０　１．０　２．０　３．０　４．０ 工硯４ｂしｊこ′Ｐｆ迄方間炬離 正−境イししｈ違〕Ｌ灯弾友 ＦＩＧ、　９０ ヒ゛−か　の　利灯９ブ　ｒＪ　達、硯ｆ：ｆ発臂欠国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）当該フィルタがビームの軸線と同心の光軸を持っていて、当該ビームのエレ メントが該エレメントの位置の連続的な関数として理想的基準位相から偏移する 位相を持つ様な、Ｐ次元に偏光した光ビームの連続的な位相補償を行なう光学透 過フィルタに於て、 Ａ．平坦である第１の面及び予定の曲率半径を持つ第２の面を持ち、第１の中心 の厚さを持つ複屈折材料の第１のレンズと、 Ｂ．平坦である第１の面、及び前記第１のレンズの曲率半径と等しいが符号が反 対である曲率半径を持つ第２の面を持っていて、第２の中心の厚さを持つ複屈折 材料の第２のレンズとを有し、 前記レンズの面が前記光軸と直交し且つそれと同心である様な向きであって、前 記レンズの材料の結晶光軸が、前記光軸に沿って、且つ前記Ｐ次元に対して４５ °の角度で互いに直交する位置にあり、前記第２の面が互いに隣接している光学 透過フィルタ。 ２）請求の範囲１）に記載した光学透過フィルタに於て、前記フィルタの各々の レンズの第２の面が球状であって、前記フィルタ軸線からの各々のビームのエレ メントの半径方向の距離の連続的な関数である差別的な位相遅延を生ずる光学透 過フィルタ。 ３）請求の範囲２）に記載した光学透過フィルタに於て、該フィルタの各々のレ ンズの第２の面が円柱状であって、前記ビームの軸線に対して直交する平面及び 前記直立の平面内で、前記ビームの軸線を基準とするビームの各々のエレメント の座標の連続的な関数である差別的な位相遅延を生ずる光学透過フィルタ。 ４）当該フィルタがビームの軸線と同心である光軸を持っていて、位置の連続的 な関数としてＰ次元に偏光したビーム内の光に対して差別的な位相遅延を生ずる 調節自在の光学透過フィルタに於て、 Ａ．平坦である第１の面及び予定の曲率半径を持つ第２の面を持っていて、該面 が前記光軸と直交し且つそれと同軸の向きであって、第１の中心の厚さを持つ複 屈折材料の第１のレンズと、 Ｂ．平坦である第１の面及び前記第１のレンズの曲率半径と同じであるが符号が 反対である曲率半径を持つ第２の面を持ち、調節自在の中心の厚さを持つ複屈折 材料の第２の複合レンズとを有し、該複合レンズが、第１の角度でテーパがつけ られた断面を持っていて、平坦な面を持つくさび形の第１のレンズ・エレメント 、及び前記第１の角度でテーパがつけられた断面を持っていて、前記くさび形の レンズ・エレメントと摺動係合する様に組立てられている第２のレンズ・エレメ ントで構成されており、 前記複合レンズの外面が前記光軸を中心として該光軸に対して直交する向きであ り、前記テーパ角度が十分小さくて、前記レンズ・エレメントが相互に変位する 時、透過すす る光に加えられる差別的な遅延を波長の端数に調節することが出来る様にし、前 記レンズの材料の結晶光軸が前記光軸に沿って、前記Ｐ次元に対して４５°の角 度で互いに直交する位置を持つ様な向きであり、前記第２の面が互いに隣接し、 前記レンズがビームの断面にわたって補償の移相を加える調節自在の光学透過フ ィルタ。 ５）請求の範囲４）に記載した調節自在の光学透過フィルタに於て、前記フィル タの各々のレンズの第２の面が球状であって、前記フィルタの軸線から各々のビ ームのエレメントの半径方向の距離の連続的な関数である位相補償を行なう調節 自在の光学透過フィルタ。 ６）請求の範囲５）に記載した調節自在の光学透過フィルタに於て、中心の厚さ の差の調節範囲が、軸上で小さな差別的な位相遅延が起こり、ビームの周縁で大 きな差別的な位相遅延が起こる様な調節を含んでいる調節自在の光学透過フィル タ。 ７）請求の範囲５）に記載した調節自在の光学透過フィルタに於て、中心の厚さ の差の調節範囲が、軸上で略ゼロの差別的な位相遅延が起こり、ビームの周縁で 最大の差別的な位相遅延が起こる様な調節を含んでいる調節自在の光学透過フィ ルタ。 ８）請求の範囲５）に記載した調節自在の光学透過フィルタに於て、中心の厚さ の差の調節範囲が、軸上で実質的な差別的な位相遅延が起こり、中間の半径方向 の距離でゼロの差別的な位相遅延が起こり、この距離の所で符号が変り、ビーム の周縁で再び実質的な差別的な遅延が起こる様な調節を含んでいる調節自在の光 学透過フィルタ。 ９）請求の範囲４）に記載した調節自在の光学透過フィルタに於て、前記フィル タの各々のレンズの第２の面が円柱状であって、ビームの軸線に直交する平面及 び前記曲率の平面内でビームの軸線を基準とした各々のビーム・エレメントの座 標の連続的な関数である位相補償を行なう調節自在の光学透過フィルタ。 １０）請求の範囲９）に記載した調節自在の光学透過フィルタに於て、中心の厚 さの差の調節範囲が、ゼロの座標値で小さな差別的な位相遅延が起こり、ビーム の周縁の最大の座標値で大きな差別的な位相遅延が起こる様な調節を含んでいる 調節自在の光学透過フィルタ。 １１）請求の範囲９）に記載した調節自在の光学透過フィルタに於て、中心の厚 さの差の調節範囲が、ゼロの座標値で略ゼロの差別的な位相遅延が起こり、ビー ムの周縁の最大の座標で最大の差別的な位相遅延が起こる様な調節を含んでいる 調節自在の光学透過フィルタ。 １２）請求の範囲９）に記載した調節自在の光学透過フィルタに於て、中心の厚 さの差の調節範囲が、ゼロの座標値で実質的な差別的な位相遅延が起こり、中間 の座標値でゼロの差別的な位相遅延が起こり、この値の所で符号が変り、ビーム の周縁の最大の座標値で実質的な位相遅延が再び起こる様な調節を含んでいる調 節自在の光学透過フィルタ。 １３）その間に共振空洞を限定する様に光学的に整合して配管された第１及び第 ２の反射器手段と、該第１及び第２の反射器手段と光学的に整合してその間に配 置されていて、コヒーレントな電磁放射のビームを発生する能動レーザ媒質と、 該レーザ媒質と光学的に整合して前記共振空洞内に配置されていて、所望の横方 向電磁モードの電磁放射の透過を最大にする様に、前記共振空洞の光学透過特性 を整形する光学モード制御手段とを有するレーザ装置。