JPS6337514B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は面ポンピング型レーザに関するもの
で、更に詳しく言えば、大きなフレネル
（Fresnel）数を有する面ポンピング型レーザの空
胴から回折効果の制限された出力ビームを得るた
めの装置に関する。

従来の光学ポンピング型ロツドレーザにおいて
は、光学ポンピングおよび加熱に原因する熱光学
的ひずみが最低次横モードによる動作を著しく制
限することが知られている。（なお、レーザにお
ける発振や伝搬はたとえば導波管のごときマイク
ロ波空胴内における発振や伝搬にある程度まで類
似している。いずれの場合にも、発振や伝搬は幾
つかのモードで達成し得るが、通例はいわゆる最
低次横モードが好まれる。）このようなひずみに
は、活性媒質の通常には冷却される外面と比較的
高温の中心領域との間に存在する温度勾配のため
にレーザロツドに対する熱レンズ効果として現わ
れるもの並びに活性媒質中に複屈折を引起すよう
な応力分布に原因する偏光消滅効果として現われ
るものがある。レーザロツドに対する熱レンズ効
果はほぼ完全に補償できるが、偏光消滅効果は補
償できない。かかる偏光消滅効果の結果として、
最低次横モードは活性媒質中において増強し得な
い。それ故、高次モードについての損失を増加さ
せることができなければ、レーザは自然に高次モ
ードで発振することになる。モード弁別を行うた
めには、空胴の開口寸法と空胴の長さとの比を十
分に小さく（すなわち空胴のフレネル数を小さ
く）選定しさえすればよいが、光学波長に関して
要求される比は極めて小さいものになる。その結
果、活性媒質の開口寸法および活性媒質の利用体
積を小さくしなければならないため効率の低下が
起こる。他方、有用な開口寸法にすれば、空胴共
振器の長さがあまりに大きくなり過ぎて実際的と
は言えなくなる。従つて本発明の目的は、効率の
低下や過大な長さの空胴共振器の必要なしにモー
ド弁別を達成すると同時に熱光学的ひずみの問題
を解決する簡単な装置を提供することにある。な
お、熱光学的ひずみの問題は第１図に関連して後
記に詳述される。

さて本発明の好適な実施態様に従つて簡潔に述
べれば、回折効果の制限された出力ビームを長手
方向に放射する多重反射−面ポンピング型レーザ
が提供される。かかるレーザは互いにほぼ平行に
伸びる少なくとも２つの長手方向に光学的に平ら
な面を有する均質な活性媒質の細長い板を含んで
いて、その中を通過する光学エネルギーの射線に
ついて見れば反射の平面内における板の実効光学
距離は該反射平面に対して垂直で射線を含む平面
内における実効光学距離よりも小さい。かかるレ
ーザにはまた、光学的に平らな面の少なくとも一
方に電磁放射線を印加するためのポンピング手段
も含まれていて、それにより活性媒質の原子を準
安定状態に励起して該媒質中に母集団
（population）の反転を生じる。活性媒質の板は、
それの２つの光学的に平らな面に対して平行な総
体方向に沿つてその中を通過する光学エネルギー
と共振し得る空胴の内部に配置される。かかる空
胴の両端は、活性媒質の板の一端においてそれか
ら離隔して配置された光学的に平らな反射手段お
よび活性媒質の板の他端においてそれから離隔し
て配置された凹状球面の反射手段によつて画成さ
れる。その結果、空胴は反射平面内において安定
であるが、反射平面に対して垂直で射線を含む平
面内においては不安定となる。（なお、「安定」お
よび「不安定」の概念は後記に詳述される。）そ
れ故、活性媒質の板の２つの光学的に平らな面に
対して平行な総体方向に沿つて活性媒質から放出
される光学エネルギーは、光学的に平らな反射手
段の表面に対して垂直かつ凹状球面の反射手段の
入射位置の表面に対して垂直な方向を有するので
ある。

添付の図面を参照しながら以下の説明を読め
ば、本発明は一層明瞭に理解されるはずである。

先ず第１図を見ると、ダブリユー・エス・マー
チン（W.S.Martin）等の米国特許第3633126号に
おいて使用されたもののような矩形横断面の均質
な活性媒質の板１０が示されている。実例を挙げ
れば、活性媒質はネオジム添加ケイ酸塩ガラスか
ら成り得る。その軸線１３と平行に２つの光学的
に平らな面１１および１２が配置されている結
果、光路１６によつて示される電磁輻射線のコヒ
ーレントビームは複数回の内部全反射を受ける。
活性媒質の板１０の長手方向の末端に位置する２
つの光学的に平らな平行端面１４および１５は、
活性媒質の板１０の面１１および１２を垂直に切
る平面１７内において測定した場合、軸線１３に
対してブルースタ角βを成すように配置されてい
る。その結果、活性媒質の板１０に導入されたコ
ヒーレントビーム１６の各射線が屈折して長手方
向の面１１および１２に対して入射する角は、面
１１または１２に当つた平面１７内のビーム１６
が内部全反射を生じる様な角度になつている。面
１１および１２において交互に内部全反射を受け
るためビーム１６は平面１７内においてジグザグ
形の経路をたどるが、端面１４および１５におけ
る屈折のため活性媒質の外部に出て来るビームは
軸線１３に一致する。ビーム１６の各射線が活性
媒質中を通過する際に反射の平面を成す平面１７
はｐ平面として知られている。また、やはり軸線
１３を含みながら平面１７に対して垂直な平面１
８はｓ平面として知られている。

面ポンピング型レーザの活性媒質の板１０にお
いては、それの動作時に板１０が加熱される結果
として光学的ひずみが生じる。このような加熱を
受けた場合でも、ｐ平面１７内では板１０が十分
な補償を受けているため、ｐ平面１７内に正味の
ひずみが生じることはほとんどない。しかるに、
幅（すなわち端面１４および１５と平面１８との
交線の長さ）方向に沿つたポンピングおよび加熱
の不均一性のため、ｓ平面１８内にはひずみの生
じることがある。ところで、レーザ共振空胴が最
低次横モードに著しく適合するようにすれば、こ
のようなひずみを低減もしくは完全に排除するこ
とが可能である。

かかる結果を与えるようなレーザ共振空胴を実
現する方法のひとつとして、不安定共振器すなわ
ち空胴反射器の間で往復する際に光が発散するよ
うな共振空胴の使用が挙げられる。かかる空胴の
出力反射器側においては、ビームの横断面が反射
器より幅広くなるため、出力エネルギーの一部が
反射器の外周を越えて出て行く。出力反射器によ
つて反射された部分のビームは活性媒質を通して
再び増幅されるが、このような部分は単一位相の
波頭のみに限られるよう幾何学的に選定すること
ができる。このような理由により、不安定共振器
は共振空胴内にある単一位相の波頭を効果的に選
択でき、従つて大きなフレネル数を有する共振空
胴から回折効果の制限された出力ビームを得るこ
とを可能にする。なお、不安定共振器は従来より
広く論議されてきたもので、詳細についてはたと
えば「アプライド・オプテイクス（Applied
Optics）」第13巻353〜367頁（1974年２月）に収
載されたエー・イー・シーグマン（A.E.
Siegman）の著作を参照されたい。

しかるに不安定共振器は、優れたモード制御お
よびモード安定性を得ようとした場合、出力反射
器からの帰還が約10％を上回ることができないと
いう欠点を有する。その結果、レーザ発振器を動
作させるためには活性媒質中での利得が比較的高
いことが要求される。面ポンピング型レーザの通
常の応用例では、活性媒質は固体の親物質
（host）中に存在し、光学ポンピングを受け、か
つ比較的低い利得を有するのが普通である。

ところで、ひずみの少ない平面内では安定であ
りかつひずみの生じ得る平面内では不安定である
ような共振器があれば、不安定共振器のもたらす
モード選択性が効果的に利用されると同時に、出
力反射器からの帰還も比較的大きく（たとえば50
％）することができる。その上、本明細書中に記
載されるような面ポンピング型レーザの場合、板
１０の（平面１８内で測定された）幅と（平面１
７内で測定された）厚さとの比は通例３以上であ
る。その結果、板１０の空胴内開口はひずみの少
ない平面内では比較的小さくなり（従つて空胴の
フレネル数は小さくなり）、かつひずみの起り得
る平面内では大きくなる（従つて空胴のフレネル
数は大きくなる）。このような理由から、前述の
米国特許第3633126号明細書中に記載されるよう
な面ポンピング型レーザと共に使用するには安
定／不安定共振空胴が特に適するのである。

第２図に示されるように、多重反射―面ポンピ
ング型レーザの活性媒質の板を用いて、従来の様
な形式のレーザ発振器用の安定／不安定共振空胴
が容易に実現される。すなわち、軸線１３に対し
てブルースタ角を成すビーム入射端面１４および
１５を備えた矩形横断面の板１０が作製される。
従来のごとく、フラツシユランプ２３および２４
により面１１および１２を通して活性媒質の板１
０にポンピングを施せば、活性媒質の原子が準安
定状態に励起されて母集団の反転が生じる。（ブ
ルースタ角を含む）ｐ平面内における板１０の実
効光学距離はｓ平面内における値よりも小さい。
それ故、凹状球面の反射器２１および平らな出力
反射器２２を含んだ標準的な収束性の空胴光学系
を使用した場合、反射器２１および２２の離間距
離の調整によつて両者の規定するレーザ共振空胴
がｐ平面内においてのみ安定となるようにするこ
とができる。かかる共振空胴はｓ平面内では不安
定であるが、それはｓ平面内における実効光学距
離が安定な共振空胴にとつて必要な値よりも大き
いためである。

凹状球面の反射器２１および平らな出力反射器
２２を用いた特別な場合、両者の離間距離の調整
に際しては、ｐ平面内における両者の光学的離間
距離が凹状球面の反射器２１の曲率半径より小さ
く、かつｓ平面内における両者の光学的離間距離
が凹状球面の反射器２１の曲率半径より大きくな
るようにする。ブルースタ角を成す端面１４およ
び１５を備えた板１０の場合、ｐ平面内における
板１０の光学距離は（ネオジム添加ガラスの場合
ならば板１０の全長の41％だけ）ｓ平面内におけ
る値よりも小さいから、上記の調整は容易に達成
される。反射器の離間距離を厳密に調整するに
は、ｐ平面内における板１０の開口が最低次の安
定共振器モードの光学エネルギーによつて満たす
ようにする。また、出力反射器の幅（すなわちｓ
平面内における寸法）を調整するには、ｓ平面内
における板１０の開口が不安定共振器モードの光
学エネルギーによつて満たされるようにする。な
お、出力反射器の反射率は最適の出力効率が得ら
れるように調整すればよい。空胴反射器は平面と
球面との組合せに限られるわけではなく、安定／
不安定共振空胴に関する基準が満たされる限りは
広範囲の曲率を持つた反射器が使用できる。勿
論、反射器の曲率の選定に当つては、共振空胴の
所望の物理的長さ、ｐ平面内における所望のフレ
ネル数、およびｓ平面内における適正な不安定度
が得られるようにしなければならない。

活性媒質の板の両端は必ずしもブルースタ角を
成す必要はない。その他のビーム入射角を使用す
ることも可能である。とは言え、ブルースタ角を
成す端面を通過するｐ平面内の偏光については反
射損がゼロになることを考えれば、ブルースタ角
が最も望ましい場合が多い。このように第２図に
示された装置によれば、最低次横モードに適合さ
せた多重反射―面ポンピング型レーザから回折効
果の制限された出力ビームが得られ、しかも出力
の大幅な低下は見られない。

以上、最低次横モードに著しく適合する共振器
を備えた面ポンピング型レーザが記載された。そ
れによれば、大きなフレネル数を有する面ポンピ
ング型レーザの共振空胴から回折効果の制限され
た出力ビームが得られるわけで、その場合の共振
空胴はｐ平面内では安定であるがｓ平面内では不
安定である。

【図面の簡単な説明】

第１図は平面ポンピング型レーザの活性媒質の
斜視図、そして第２図は本発明に基づく面ポンピ
ング型レーザの概略側面図である。 図中、１０は活性媒質の板、１１および１２は
光学的に平らな面、１３は軸線、１４および１５
は端面、１６はビーム、１７は反射平面、１８は
反射の平面に対して垂直な平面、２１は凹状球面
の反射器、２２は平らな出力反射器、そして２３
および２４はフラツシユランプを表わす。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ (a)互いにほぼ平行に伸びる少なくとも２つの
   光学的に平らな面を有する均質なレーザ活性媒質
   の細長い板であつて、その中を通過する光学エネ
   ルギーの射線について見れば反射平面内における
   前記板の実効光学距離が前記反射平面に対して垂
   直で前記射線を含む平面内における実効光学距離
   よりも小さい板、(b)前記板の２つの光学的に平ら
   な面の少なくとも一方を電磁放射線で衝撃するこ
   とにより前記活性媒質の原子を準安定状態に励起
   して母集団の反転を生み出すポンピング手段、(c)
   前記板の一端においてそれから離隔して配置され
   た光学的に平らな反射手段、(d)前記板の他端にお
   いてそれから離隔して配置された凹状球面の反射
   手段を備え、(d)前記板の２つの光学的に平らな面
   に対して平行かつ前記凹状球面の反射手段の入射
   位置の表面に対して垂直な総体方向に沿つて前記
   板の中を通過する光学エネルギーと共振し得る空
   胴の両端が前記光学的に平らな反射手段および前
   記凹状球面の反射手段によつて画成されていて、
   前記空胴は前記反射平面内では安定であるが前記
   反射平面に対して垂直な前記平面内では不安定で
   あることを特徴とする、回折効果の制限された出
   力ビームを長手方向に放出する多重反射−面ポン
   ピング型レーザ。 ２ 前記板が矩形の横断面を有する、特許請求の
   範囲第１項記載のレーザ。 ３ 前記板が長手方向の両端に端面を有し、かつ
   前記反射平面内において見れば前記端面の各々が
   前記板の軸線に対してブルースタ角を成す。特許
   請求の範囲第１または２項記載のレーザ。 ４ 前記光学的に平らな反射手段が所定の寸法を
   有し、かつ出力エネルギーの一部が前記光学的に
   平らな反射手段の外周を越えて出て行くように前
   記光学的に平らな反射手段と前記凹状球面の反射
   手段との離間距離が選定される、特許請求の範囲
   第１，２または３項記載のレーザ。