JPS63501994A - レ−ザ共振器 - 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】 名　称 レーザ共振器 発明の背景 １、発明の分野 この発明はレーザ、並びにアラインメントが安定で、反射アウトカップル、光電 Ｑスイッチ型レーザ共振器に関する。

２、従来技術 レーザの利用は、高輝度、単色性、低発散性、ならびにコーヒレント等のレーザ 光のユニークな特徴から導がれている。

これら属性はレーザからの放射を既知の光源がらの放射と完全に異なっており、 範囲検索、トラッキング、移動関知、情報、地震観測、ホログラフィ、等への利 用が開がれている。

レーザ分野での情報並びに測定への適用は、所定のエネルギーレベレと、パルス 時間と、パルス間隔とを有する、連続したレーザパルスが必要となっている。一 連のレーザパルスは、Ｑスイッチと関連して作動するレーザにより発生させるこ とができる。Ｑスイッチは、短く険しいレーザがらの発振を得るように使用され る装置である。これら装置は、光電分野では知られており、１９８３．年にＰｒ ｅｎｔｉｃｅ−Ｈａｌｌにより開示された、Ｗｉｌｓｏｎ　ａｎｄＪ、Ｆ。

Ｂ、Ｈａｗｋｅｓにより紹介されたｐｔｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓにより記されて いる。

Ｑスイッチ技術は、レーザ共振器に期間即ち強度依存損失を導入するように駆動 成分を利用することができる。Ｑスイッチは、共振器内での発振を防止すること により、レーザ媒体内で励起をおこなわしている。スイッチングは、共振器のＱ 値の変化である。このＱ値は１サイクル当りのエネルギー消費で、共振器内のエ ネルギーを割った値に比例した係数でた場合、励起源からレーザ媒体に入るエネ ルギーは、媒体内の分子がレーザ発振に寄与できるまで、消費される。もし、逆 転分布の反転がレーザ媒体内で発生し、キャビティ損失状態を減じることにより 共振器のＱ値が急激に増加すると、レーザ動作は急に開始する。共振器のＱ値が 急に増加すると、レーザキャビティ内でレーザ発振が急に生じ、すべての有効な エネルギーは、高レベル側を減じ、レーザ発振を止める１個の大パルとして発振 される。

Ｑスイッチングは、回転ミラーやプリズムのような、駆動要素を使用することに より、達成される。この技術は、反射要素がほぼ平行に設けられている時の各回 転サイクルでの主間隔を除いて、共振器内での光学的損失を防ぐように、高角速 度で回転される共振器用反射要素を必要としている。このようなシステムは、６ ００００回転／分以上で回転するミラーもしくはプリズムを利用し、かつ機械的 損失やミスアラインメントが生じ易いモータや制御装置を必要とする。電気−光 、磁気−光、音響−光モシュレータはＱスイッチとして使用され得る。たとえば 、電気光学システムは、レーザ共振器に設けられて、結晶に供給される電気信号 に応答して、キャビティ内での回転偏向を変えることにより、キャビティのＱ値 を変えることができる。音響装置は、音波を回折することにより、キャビテイ外 にレーザ光の一部を反射し、かくして共振器のＱ値を減じるように使用すること ができる。アブソーバは、受動Ｑスイッチとして使用できる。適当な溶液中で漂 白された不透明の染料を収容した透明セルは、入射励起エネルギーの一部を吸収 するように設けられる。染料が分散し、励起放射線を吸収しなくなった時、染料 はもとの不透明性を減じ、レーザの光学的効果を増すことにより、Ｑスイッチと して機能する。

共振器の光学的フィードバックループは、キャビティの端部に設けられた反射要 素により区切られた能動利得媒体を有する。これら反射部材は、利得媒体から射 出されるレーザ放射が反射部材間の媒体を介する多数の遷移を生じるように、正 確なアラインメントに維持されなければならない。もし、反射要素が僅かでもミ スアラインメントされていると、共振器は高エネルギー損失が生じる。共振器を 完全に駄目にするような充分に大きな損失は、もし一方の反射要素が２〜３ミリ ラジアンだけアラインメント軸からそれるように傾斜している場合に生じる。共 振器のキャビティでのＱスイッチの使用は、代表的な系のミスアラインメント損 失を悪くしている。

レーザ共振器の動作を妨害する他のエネルギー損失源は共振器のキャビティ内で のディーメンジョンの不安定性である。

このディメンション的不安定は、共振器の構成要素相互の不必要な相対的な移動 による。共振器の構成要素の光学的アラインメントにおける変化は、レーザ出力 並びにレーザ性能に悪影響を与える損失を生じる。

レーザ共振器をデザインし、製造するのに際して重要なことのひとつは、共振器 のアラインメント影響を減じることにより、ディメンション的不安定を少なくす ることである。

高品質で製造されたレーザ系にとって、共振器のキャビティは高価でない構成要 素を最少個数で使用するようにデザインすることが重要である。さらに、温度の 変化、物理的ショック、他の環境条件に影響されないキャビティや放射カップリ ング手段を使用することが、特に、レーザ系が使用される分野に応じて必要であ る。

キャビティの端部に配置される反射要素は必ずしも鏡面である必要はないが、繰 返し反射が少ない損失で生じるようにアラインメントすることが必要である。共 振器のキャビティは、通常は、ミラーのアラインメントの変化に対して非常に敏 感である。例えば、一方のミラーが少し傾いても、共振器のキャビティは大きな エネルギー損失が生じる。共振器のキャビティの比較的小さいミスアラインメン トによっても、レーザ伝播が妨げられる。また、ミスアラインメントによるエネ ルギー損失はＱスイッチングの使用によっても生じる。Ｑスイッチングは、共振 器のキャビティ内での発振を防ぐことにより、励起発振を遅らせる。高レベルの 転移がレーザ媒体内で発生、した時、Ｑスイッチはトリガーされ、共振器のキャ ビティを急に、元に戻す。

上記ミスアラインメントによる影響を少なくする努力は、凹面鏡や、互いにブリ スター角で傾斜されたコーナキューブ反射要素や、互いに平行もしくは鈍角の稜 線が対向するように配設された内面反射型プリズムに対しても同様である。米国 特許Ｎα４，４２０，８３６には逆方向に指向した５反射面と凹反射面とを有す るミラーを使用した光学共振器キャビティが開示されている。これら反射面は稜 線に直交するように固定された２個の内面全反射型プリズム間に設けられたレー ザロッドから伝播されるレーザ系の両端を反射する。これらプリズムの稜線はレ ーザ光の光軸並びに共振器の要素の光軸に垂直になっている。レーザ光両端間に 位置し、凹面と凸面とを有する単一のミラーはミスアラインメントにより共振器 のキャビティの感度が低下するのを防止している。

米国特許Ｎｏ、３，８９６，３９７号には、音響−光学Ｑ−スイッチレーザが開 示されている。コーナキューブ、ペロープリズムによる反復反射要素が４うの装 着調整のうちの３つに対する誤差を少なくするために設けられている。レーザ近 くの反射要素はコーナキューブであり、フィードバック反射要素はペロープリズ ムであるので、単一の精密な誤差調整が必要である。

米国特許Ｎｏ、３，９５９，７４０号には、電気−光学スイッチと、偏光器とし て水晶結晶ウェッジとを組合わせてレーザＱ−スイッチを構成したものが開示さ れている。２個のウェッジは同じもので、スイッチの両側に配設されている。こ れらウェッジは、角度的それ並びに互いの分散を補償するように、配設されてい る。このような形式のものは、偏光の太きな角度的分離を必要としないので、偏 光物質として方解石を使用しなくても良い効果がある。電気−光学スイッチは、 オフ状態で、両光向がペロープリズムに対して角度的にミスアラインメントされ るようにペロープリズムに対して位置されている。水晶のウェッジは、比較的安 価であり、またレーザに容易に組入れられ、アラインメントされ得る。また、水 晶は方解石よりも耐久性があり、レーザ光により損傷され難い。

米国特許Ｎｏ、３，９８２，２０３号には、高エネルギーを出力し、光学的にポ ンプされる音響−光学Ｑスイッチレーザが開示されている。最大エネルギーの出 力パルスを規制する光学的コーテングを必要としない。反射面に関しては、ペロ ープリズムの代わりに通常のミラーが使用され得る。非反射面、即ち透過面に関 しては、Ｑスイッチ物質の偏光のために、各要素をブリュスター角で配置するこ とにより、通常の反射防止コーテングを使用する必要がない。

米国特許Ｎｏ、ＲＥ２９，４２１号には、電気信号に応答して、レーザキャビテ ィのＱ値を制御するために音響−光学光反射を使用する電気的選択利得を有する レーザ系が開示されている。

上述し公知技術においては、偏光の問題、安定したアラインメント、機械的並び に温度的変化に対する非感度性、そして利用する要素の数が少ない、反射型レー ザ共振器を形成することの困難性を解決していない。このような解決は、レーザ 並びに光電気分野において、長い間試みられており、レーザ共振器において上記 問題を解決するように努力されている。

発明の要約 本発明は従来のものより少ない要素を有する、改良されたＱスイッチを有する、 低価格のレーザ共振器である。本発明は新規なデザインの２個のプリズムを使用 し、このうちの一方は両キャビティ端反射要素として機能し、Ｑスイッチの構成 要素として使用される。他方は入射放射線の偏向状態を維持する折返しプリズム として機能する。

本発明は従来のものより少なくかつ安価な要素を使用し、少ないそれと損失のレ ーザ共振器を提供し、端反射要素の動きによるミスアラインメントに対して安定 している。本発明は温度変化や物理的ショックのような厳しい外部条件に対して 影響を受けず、従来技術では必須である、光学装着面での機械的誤差で製造され る。本発明の改良されたＱスイッチは、極めて高い出力エネルギーに対しても、 前レーザ発振（Ｑスイッチが開成する前のレーザ発振）。本発明は従来のものよ りも高効率を呈し、方解石のウェッジによるＱスイッチの使用に関連した温度に よるアラインメントの問題が生じない。

本発明は、レーザ動作が共振器の要素の移動に対して影響されないので、ミスア ラインメントに対して安定している。

２個の特殊なプリズムを含む、従来のものよの少ない構成要素を使用している。

２重端反射プリズムは、共振器のキャビティの両端の反射要素としての機能を果 たし、さらに共振器のＱスイッチの要素として機能することができる。偏光維持 ホールデングプリズムは光束を折返す機能に加えて、入射放射線の偏光状態を維 持する。Ｑスイッチは多層薄膜の偏光子と４分の１波長電気−光学結晶の使用を 可能にしている。

レーザ共振器は、上記４個の要素に加えて、レーザロッドとアラインメントウェ ッジとからなる、６個の光学要素を具備する。共振器のための１００％反射要素 は、入射放射線を反射する全内部反射の使用を果す２重端反射プリズムの屋根面 である。反射アウトカップリング面は２重端反射プリズムの誘電体コーテング面 である。偏光維持ホールデングプリズムは、放射線の偏光状態に影響を与えない で、共振器の光路を折返す。レーザロッドとアラインメントウェッジとは、すで に使用されている公知のものであり、レーザ並びに光学的電気分野で知られ一パ いるものである。

電気−光学Ｑスイッチは、電気−光学結晶と、多層薄膜偏光子と、２重端反射プ リズムとを具備する。偏光子を通る放射線は、２重端反射プリズムの長軸に対し て、４５度で直線偏光される。電圧が電気−光学結晶に印加されていない場合、 放射線の偏光状態は放射線が結晶を通過している時に、影響を受けない。２重端 反射プリズムから戻る放射線は、これの偏光が最初の状態から９０度変位してい るので、偏光子により通過されない。もし、４２分の１波の電圧が電気−光学結 晶に印加されると、結晶を通る２重の光路が偏光状態を、戻りの放射線が偏光子 の軸にアラインメントされた偏光を有するように、変える。かくして、４分の１ 波の電圧が印加された時のみ、放射線は、帰り光路で偏光子を通る。偏光維持ホ ールデングプリズムは、２重端反射プリズムの誘電反射面から戻る放射線の偏光 状態を維持するのに必要である。放射線は、かくして偏光子の軸にアラインメン トされる。

従って、本発明の目的は、従来の共振器よりも少ない要素を有するレーザ共振器 を提供することである。

また、本発明の目的は、従来の共振器よりも安価な光学要素を有するレーザ共振 器を提供することである。

さらに、本発明の目的は、従来の共振器寄りも、共振キャビティ内の光学要素が 少ないので、少ないそれと、エネルギー損失を呈するレーザ共振器を提供するこ とである。

また、本発明の目的は、端反射要素もしくはホールデング要素の動きにより生じ るミスアラインメントに対して、安定なレーザ共振器を提供することである。

さらに、本発明の目的は、従来の共振器よりも温度変化や機械的ショックのよう な厳しい外部環境に対して、影響を受け難いレーザ共振器を提供することである 。

さらに、本発明の目的は、光学的装着面での機械的誤差が従来技術のように厳し くないレーザ共振器を提供することである。

さらに、本発明の技術は、従来の共振器よりも容易に製造でき、またこの分野で 容易に維持できるレーザ共振器を提供することである。

さらに、本特許出願に記された装置の目的は、従来技術よりもレーザ共振器にと って高効率な電気−光学Ｑスイッチを提供することである。

本発明の他の目的は、極めて高い入力エネルギーであっても、前レーザ発振を実 質的に無くすことの可能な電気−光学Ｑスイッチを提供することである。

さらに、本発明の目的は、方解石並びに水晶ウェッジＱスイッチで問題となった 温度並びに前レーザ発振によるアラインメントの変化を無くした電気−光学Ｑス イッチを提供することである。

さらに、本発明の目的は、レーザ共振器の両端の反射要素として機能し、また同 共振器での電気−光学Ｑスイッチの一部としても機能する単一の光学要素を提供 することである。

さらに、本発明の目的は、レーザ共振器装置の広い範囲で使用できる、改良され た光学フィードバック形態を提供することである。

本共振器は、また入射放射線の初期の偏光状態に関係なく、入射する放射線の偏 光状態を逆にする、新規な設計のホールデングプリズムを提供することである。

本発明の、より確実に理解できる他の目的のより広い適用は、以下の詳述する記 載の理解並びに添付の図面を参照により達成され得る。

図面の説明 第１図は、偏光維持ホールデングプリズム並びに２重端反射プリズムを含む、改 良されたＱスイッチを備えたレーザ共振器の斜視図である。

第２図は、直線偏光光の入力光線に作用する偏光維持ホールデングプリズムを示 す斜視図である 第３図は、２重端反射プリズムを示す１つの斜視図と、３つの正面図である。

第４図は、電気−光学結晶に電圧を印加しない場合と、同結晶に４分の１波の電 圧を印加した場合の、レーザ共振器内での光路の種々の地点での放射線の偏光状 態を示す図である。

第５図は、従来の共振器のアラインメント感度と比較した、２重端反射プリズム のＸもしくはｙ回動に対するレーザ出力エネルギーを示す線図である。

第６図は、本発明における２重端反射プリズムでのｙ回動を函数とした光束の発 散の変化と、従来の共振器でのウェッジのミスアラインメントにより生じるレー ザ光束発散と・・の比較を示す図である。

第７図は、本発明での２重端反射プリズムの傾斜による光束指向の感度と、従来 の共振器でのウェッジのミスアラインメントによる光束指向の感度との比較を示 す図である。

実施例 第１図は、レーザ共振器を示し、これは光路１１に平行な長軸を有する固体レー ザロッド１２と、偏光維持ホールデシグプリズム１３と、薄膜偏光子１８と、電 気−光学結晶１９と、アラインメントウェッジ２０と２重縮プリズム２１とを有 する。レーザロッドは代表的には、ネオジウムがドープされたイツトリウム・ア ルミニュム・ガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）もしくはクロミュム・アルミニュム・ オキサイドにより形成される。このロッドは、白熱灯もしくはフラッシュランプ （図示せず）からの励起エネルギーを吸収し、利得媒体内で励起電子もしくは原 子の逆転分布を発生させる。前記薄膜偏光子１８は異なる屈折率の複数の誘電膜 からなる既知の光学要素である。これら誘電膜は、空間を有して分離された一連 のガラス板が光を偏光するのと同様に、入射放射線を偏光する。偏光子１８によ り吸収もしくは阻止された放射線゛　は光路からはずれる。反射された放射線の 大部分は、偏光子１８の両側に設けられたビームストップ（図示せず）により、 吸収される。前記電気−光学結晶１９としては、カーもしくはボッケルセルが使 用され得る。この発明の好ましい実施例では、結晶１９はニオブ酸リチウムによ り形成されている。

前記アラインメントウェッジ２０は、光学的等方性材で形成されたくさび状の円 筒もしくは円形片からなる既知の透明光学要素である。ウェッジの円形端面の一 方は光路１１にほぼ垂直にアラインメントされ、一方、２重端反射プリズム２１ に面している円形端面は、光路１１に直交する方向から傾斜している。ウェッジ ２０はガラスで形成され得る。

放射線の光路１１は、偏光維持ホールデングプリズム１３により折返されている 。第２図に示すように、プリズム１４内で、光束は４回内部反射される。共振器 キャビティは２重端反射プリズム２１の部分反射側面２２ａと、全反射のみ形層 根面２４　ａ、２４　ｂとにより、規定されている。部分反射側面２２ａはレー ザ放射のためのアウトカップリング手段を構成している。誘電コーテングが部分 反射面を形成するために側面２２ａになされている。光路１１は、この側面２２ ａに垂直である。全内部反射面を除いた他の光路１１上にある面は、反射防止材 でコーテングされている。

前記共振器キャビティは、２重端反射プリズム２１の部分反射側面２２ａと全反 射屋根面２５とにより規定されている。

この部分反射側面２２ａはレーザ放射のためのアウトカップリング手段を構成し ている。部分反射側面２２ａは、光路１１に直交する２重端反射プリズム２１の 側面に誘電コーテングをすることにより形成されている。光路内の他の面は全内 部反射面を除いて、反射防止コーテングがされている。

前記偏光維持ホールデングプリズム１３は第２ａ図に詳しく示され、プリズム１ ３に入る光束の偏光ベクトル成分の相対的位相関係を維持する放射線折返しウニ イブガイドである。

第２ａ図は、偏光維持ホールデングプリズム１３を斜視図で示し、線形偏光され る放射線を示している。プリズム１３の長軸は図面で上から下に向かう最長の縁 に平行である。レーザロッド１２からの放射線は、６角形の反射防止前面１４を 介して、Ａの地点よりプリズム１３に入る。この前面１４には反射防止材がコー テングされ、レーザ放射線の入射を可能にしていると共に、表面での相互干渉に よる損失を最小にしている。入射光束は、６角形の面１４の面に垂直な方向から プリズムに入射し、プリズム１３の、傾斜した矩形の全内部反射面１５に当たっ た時に、Ｂの地点で９０度そらされる。光束は、Ｃ並びにＤの地点で２度全内部 反射され、１８０度そらされる。これら地点Ｃ，Ｄはプリズム１３の上方並びに 下方全内部反射面１７ａ、１７ｂ内に位置している。この１対の折返し面１７ａ 、１７ｂを含む２個の平面は、傾斜した矩形の全内部反射面１５の長縁に平行な プリズム１３の長軸から４５度傾斜している。下方の全内部反射面１７ｂで反射 された光束は、Ｅで示す地点で面１５の内面に入射し、９０度反射されてから、 偏光維持ホールデングプリズム１３の外に、Ｆで示す地点からでる。入射光束と 同様に、射出光束は、６角形面１４を含む面に垂直な方向に進む。

第２ａ図にプリズム１３の好ましい例を示す。この発明を既知のホールデングプ リズムの展開で説明する。このプリズムは、断面が６角形で、底面と、この底面 に平行な上面とを有する。これら底面と上面とは、プリズムの中心方向に傾斜し た１対の側面により接続されている。前記偏光維持ホールデングプリズム１３は 、既知のホールデングプリズムとは、底面の所に１個の直角二等辺三角形のプリ ズムが結合されていることが、異なる。第２ａ図に示すように、プリズム１３の 端面１６ａ、１６ｂは面１４．１５に近接し、また夫々面１７ａ、１７ｂに近接 している。面１６ａ、１６ｂは、直角三角形の側面１５の横縁を形成する底辺を 有する二等辺三角形である。このように設計することにより、地点Ｂ、Ｅで所望 の反射が得られる。

第２ｂ図並びに第２ｃ図は、入射光束並びに反射光束の偏光状態のベクトル表示 である。入射放射線は、薄膜偏光子１８により、面偏光されているので、第２ｂ 図に示すベクトル表示は、任意の偏光角θを有する電気強度ベクトルを示す。

プリズム１３に入射し、全内部反射を４回して射出された光束は、光束の偏光ベ クトルＶのベクトル成分Ｖｘ、Ｖｙで同じ位相関係を維持する。偏光ベクトルＶ はＸ軸並びにｙ軸に対して同じ角度を維持し、ｙ軸に対して０度をなす。第２ｂ 図と第２ｃ図とは、両光束は反対方向に進むので、同じではない。これら図にて 、偏光ベクトルＶの傾きは、光束の進行方向に関してである。もし、第２Ｃ図に てＸ軸並びにｙ軸を含む平面が、ｙ軸を中心に１８０度回転すると、両ベクトル 成分は平行となり、プリズム１３の偏光維持態様を呈する。

前記偏光維持ホールデングプリズム１３は、光束がプリズム内を進行している時 に、偏光光束の、互いに直交する成分であり、等しい数のＰ形反射並びにＳ形反 射が生じるように設計されている。このＰ形反射は、入射光波の電気強度ベクト ルが電気強度ベクトルと光波の方向を示すベクトル（例えばボインティングベク トル）との両方を含む面として規定されている入射面に平行となるものの１つで ある。Ｓ形反射［ドイツのセンティフレヒト（ｔｈｅ　Ｇｅｒｍａｎ“５ｅｎｋ ｒｅｃｈｔ”）］は、電電気強度ペクトが入射面に対して垂直である反射である 。

第２図にて、ｙ軸に対して角度θで傾斜している直線偏光光束は、平滑に研磨さ れ、反射防止コーテングがなされた面１４の地点Ａで入射する。電気強度ベクト ルは、図示の直交座標のＸ軸とｙ軸に沿う、互いζど直交する２成分に分けられ 得る。ｙ成分は、面１５．１７ａ、１７ｂ、そして再び面１５で、地点Ｂ、Ｃ， Ｄ、　Ｅで全内部反射され、順次Ｓ形、Ｐ形、Ｐ形そしてＳ形として特徴ずけら れる。一方、偏光のＸ成分の反射は、地点ＢでＰ形として（面１５で）、地点Ｃ でＳ形として（面１７ａで）、地点りでＳ形として（面１７ｂで）そして地点Ｅ でＰ形として（面１５で）特徴ずけられる。偏光光束が、２つの異なる誘電媒体 間の境界で全内部反射されると、一般に、偏光のＰ形成分とＳ形成分とは、異な る位相変位を受ける。入射放射線の偏光の初期の状態を維持するためには偏光の Ｘ成分とｙ成分との間の位相差は変化しないようにする必要がある。これは、偏 光のＸ成分とｙ成分とが２つのＰ形反射と２つのＳ形反射とを受けるので、偏光 維持ホールデングプリズム１３により達成される。

前記偏光維持ホールデングプリズム１３は、既知のホールデングプリズムの使用 では偏光の影響で大きな損失が生じるような設計のレーザ共振器で試験した。こ の偏光維持ホール、デングプリズムを使用したとき、偏光誘起損失は生じなかっ た。入射放射線の垂直成分と水平成分とは、プリズムの全内部反射面で等しい数 のＰ形反射（入射面に対して平行）とＳ形反射（入射面に対して垂直）とを受け るので、反射で生じる位相変位は入射放射線の水平成分並びに垂直成分に対して 正確に同じであり、かくして実質的な位相変位は生じない。

入射放射線の偏光状態を維持するための同様の特性は、２重端反射ブリノズムも 有している。

２・重縮反射プリズム２１は、１つの斜視図と３つの正面図とからなる第３ａ図 、第３ｂ図、第３ｃ図並びに第３ｄ図に示す。このプリズム２１は、上面に、傾 斜した屋根面を有し、他端で屋根稜線２５により分けられた１対の等しい屋根面 ２４ａ、２４ｂの所で終わっている４個面構造をしている。

好ましい実施例において、傾斜した屋根面２３は、第３ａ図に示すように上端に 沿って伸びたプリズムの横軸から４５度傾斜している。プリズムの底部をウェッ ジもしくはのみの形にしている、雨下面２４ａ、２４ｂ間の角度は、４５度であ る。第３ａ図で面２２ａとして示されているプリズムの前面は、共振器１０のア ウトカップリング面である。第３Ｃ図で、符号２２ｂで示された後面は平坦に研 磨され、反射防止材がコーテングされている。傾斜屋根面２３並びにのみ形層根 面２４ａ、２４ｂは平滑に研磨され、かくしてこれら面側から反射される光束の 光学的特性を維持している。

プリズム２１は、レーザ共振器キャビティのための両端反射要素として機能する 。プリズム２１の屋根面２４ａ。

２４ｂは全内部反射による１００％の反射要素として機能し、レーザ放射線のア ウトカップリングは、屋根縁に垂直なプリズム面２２ａ、２２ｂに形成された誘 電コーテングを介してなされる。

レーザロッド１２からの放射線は、偏光維持ホールデングプリズム１３、薄膜偏 光子１８、電気−光学結晶１９並びにアラインメントウェッジ２０を通って、２ 重端反射プリズム２１に入る。放射線は、プリズム２１の全内部反射、傾斜上方 屋根面２３で第１の全内部反射を受ける。２重端反射プリズム２１の長軸に沿っ て進んだ後、光束は屋根面２４ａ１２４ｂで２度の全内部反射を受け、長軸に沿 って戻り、傾斜面２３で第２の全内部反射を受けて電気−光学結晶１９方向に進 む。

前記２重端反射プリズムは、共振器のキャビティの両端反射要素としての本来の 機能に加えて、Ｑスイッチの要素としても使用される。キャビティ内の種々の場 所での放射線の偏光状態を第４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）図に示す。レーザロッド １２から射出された放射線は、無秩序に偏光されていると想定される。この偏光 状態は、第４（ａ）図に示す光路図の区分Ｉに示されている。共振器内の放射線 の光路は、第４（ａ）図中、Ｉ、　ＩＩ、ｍ、　ＩＶで夫々示されている４つの 光路区分に分けられている。第４（ｂ）図並びに第４（ｃ）図は全共振器を通る 光束の外側光路と、帰りの光路との両方に対する、区分Ｉ、　ＩＩ、ｍ、　ＩＶ でのレーザ光束の偏光状態のベクトル表示である。第４（ｃ）図は、第４（ｂ） 図とは、４分の１−波電圧が電気−光学結晶１９間に印加されている点で異なる 。このような電圧が結晶１９に印加されると、結晶は４分の１波長板として機能 し、入射直線偏光光束を円形偏光光束に変える。

第４（ｂ）図の右上に示す対角線状の矢印は、２重端反射プリズム２１へとレー ザロッド１２から射出されるレーザ放射線が偏光されていないことを示す。この 偏光状態は、偏光維持ホールデングプリズム１３によっては変化されないので、 次の区分■でも同じである。薄膜偏光子１８は、区分Ｉ、Ｕでの放射線の偏光状 態を変化させるので、区分■では垂直に対して４５度傾斜したベクトルにより示 されている。電気−光学結晶１９が励起されていない場合には、放射線がこれを 通る時には偏光角は変化されない。従って、全反射鏡面２４ａ、２４ｂへの外部 光路での区分■と、区分■としての第４（ｂ）図の夫々の表示は、同じである。

前記偏光状態の表示は、また２重端反射プリズム２１を通る放射線光路として維 持されている。“ベクトル表示は、帰りの光束の方向が外側光束と平行でないの で、下側列では９０度回転される。結晶１９は動作していないので、放射線が区 分■から区分■に戻っても変化されない。しかし、光束の偏光状態は偏光子を通 過する光束とは一致しないので、光束は薄膜偏光子１８により阻止される。従っ て、第４（ｂ）図の区分■、■には、光束は戻らない。

第４（ｃ）図は、結晶１９が駆動された時の光束の状態を示す。放射線がセル１ ９を通過する時、入射直線偏光光束は右回り円偏光に変化される。光束が２重端 反射プリズム２１から逆方向に戻る時には、左回りの円偏光になる。光束がセル １９を通って、レーザロッド１２に戻る時、セルは光束を元の直線偏光の状態に 変える。この偏光状態は、薄膜１８を通り、レーザ動作を可能にする状態である 。

Ｑスイッチレーザ・ブレッドボードを、Ｑスイッチ要素として２重端反射プリズ ムとキャビフイ端反射要素として、使用して実験を行った。２重端反射プリズム を１００マイクロ・ラジアン傾斜した時には、レーザの性能に支障を来たさなか った。同様の従来のレーザ共振器の性能は、端反射要素を同程度だけ傾斜した時 には、低下した。従来の共振器においては、第５図並びに第６図に示すように、 出力Ｅは２０％低下し、光束発散は３５％増加した。第５図において、従来の共 振器においてミリジュールで測定された出力エネルギーを曲線３０で示す。僅か のミスアラインメントであっても、従来の共振器は動作が低下する。０．３ミリ ラジアンのそれであっても、従来の共振器は、２分の１の出力損失になる。曲線 ３２は本発明の実験データを示す。曲線３２は、端反射プリズムもしくはホール デングプリズム１３がＸ軸に対してミスアラインメントしても、本発明ではほと んど影響されないことを示す。曲線３４．３６は、またｙ軸に対してミスアライ ンメントしても、本発明ではほとんど影響されないことを示す。

第６図は、約２０．０マイクロ・ラジアンの角度だけｙ軸から共振器がミスアラ インメントした時には、従来の共振器は光束発散（曲線３８）が生じることを示 している。この光束発散は、曲線で示す本発明の実験結果の光束発散の約２倍の 悪さである。

第７図は、従来の共振器が、反射要素のミスアラインメントにより生じる大きな 光束指向エラーにより悪影響を受けていることを示す。２重端反射プリズム２１ が２００マイクロ・ラジアンだけアラインメントからそれていると、光束指向エ ラーは、従来の共振器（曲線４２）の７００マイクロ・ラジアンに対して、比較 的低い（曲線４４）。第７図に示すように、光束指向は、端反射要素の傾斜に対 して４倍変化する（特別の共振器光路での試験）。一方、２重縮ホールデングプ リズムを使用した共振器の視野線の変化は、２重端反射プリズム２１の傾斜に等 しい。

レーザ・ブレッドボードの性能の低下は、２重端反射プリズム２１の大きな傾斜 において観察された。５００マイクロ・ラジアンの傾斜では５％の出力エネルギ ーの低下になった。

しかし、光束発散は、実際には９％だけ減じられる。

第１図並びに第４図に示したような２重端反射プリズムを使用したレーザ共振器 は、２重端反射プリズムもしくはホールデングプリズム（偏光維持もしくは従来 ）の動きによるミスアラインメントに対して安定である。Ｘ軸並びにｙ軸に対す る２重端反射プリズムの動きは、視野線を角移動量に等しい量だけ変位させるが 、出力光束は、２重端反射プリズムのアウトカップリング面に対する直交を維持 する。視野線はホールデングプリズムの角移動には影響されない。

共振器の角度アラインメントは２重端反射プリズム２１もしくはホールデングプ リズム１３に影響されない。最初のアラインメントが内部共振器アラインメント ・ウェッジ（図示せず）に対して行われる。共振器が適当にアラインメントされ た時、出力放射線は、２重端反射プリズム２１のアウトカップリング面に直交し ている。共振器のアラインメントに影響されない特性は、アウトカップリング面 ２２に直交する光路をトレースすることにより良く理解され得る。ホールデング プリズム１３並びに２重端反射プリズム２１を通って、共振器の長さだけ進行し た後、光線は再反射され、アウトカップリング面２２に直交する適当なアライン メントで進む。もし、２重端反射プリズム２１がＸ軸に対して傾斜していると、 光線中心からそれた屋根に当たるが、未だ再反射面内にある。２重端反射プリズ ム２１をｙ軸に対してのみ光線が変位する。ｙ軸を中心とする回動は、再反射を 妨害しないように、光線と再反射面との両者の向きを同じ程度変化と、光線を屋 根の稜線２５に対してそらすが、再反射面の外までは動かさない。

ホールデングプリズム１３は全ての３つの軸に対する回動には影響されない。ｙ 軸からの変位のみが光線を屋根の稜線２５に対してそらすが、共振器に対しては ミスアラインメントされない。Ｚ軸からの変位についても同じである。ｙ軸から の変位により、光線は屋根稜線２５に沿って移動され、かくして中心からのそれ 、即ちミスアラインメントが生じない。

本発明は、出力反射要素、ホールデングプリズム、および半波長のニオブ酸リチ ウム結晶、２つの結晶ウェッジ、アラインメント・ウェッジ並びに１００％反射 要素もしくはベロープリズムからなる電気−光学Ｑスイッチを備えた従来のレー ザ共振器に比べて、優れた効果を有する。

結晶ウェッジは通常、水晶もしくは方解石により形成される。方解石もし、くは 水晶のウェッジの使用は、本発明では回避される所定の欠点を生じる。ウェッジ を使用することによる固有の２つの問題は、前レーザ発振（Ｑスイッチが開成す る前のレーザ発振）と、温度変化によるアラインメントの変位である。方解石並 びに水晶の光学的特性は、厚い水晶ウェッジは方解石と同様に、前レーザ発振に 対して抵抗を生じるように使用されなければならないことである。しかし、温度 変化の影響は方解石に対するよりも水晶に対しての方が少ない。前レーザ発振を 生じる傾向は、通常の光と、極めて通常の光との間の角度変位に対して、逆の関 係にあり、かくして、この点で方解石は水晶よりも優れる。一方、方解石のウェ ッジを使用したＱスイッチは温度変化によるミスアラインメントに対して、より 影響を受ける。さらに、上記従来のＱスイッチは大変高価である。本発明のＱス イッチは低価格であり、従来のＱスイッチよりも優れる。

より少ない構成要素を使用するので、本発明の共振器は、従来の共振器よりも少 ない誤差並びに損失である。極めて高い入力エネルギーを使用しても、前レーザ 発振は生じなく、ミスアラインメントに対して安定である。従来の共振器に比し て、共振器端反射要素の僅かの変位に対しても、より影響を受けなく、レーザの 特性が悪くならない。

上述した、従来のものに対して優れた効果を有しているので、本発明は、レーザ 並びにレーザ系の形成に広い適用を持っている。温度変化や物理的ショックのよ うな環境変化に対して影響を受けなく、また光学的装着面での機械的許容度が従 来ののちのより小さい。このような優れた特性のために、レーザもしくはレーザ 系を容易に製造で゛き、かつ厳しい状況のもとての使用の後でもメインテナンス が少なくて済む。この明細書で多く使用した“レーザ発振”は、可視スペクトル の狭い範囲内でのエネルギーに限定されることはく、広い範囲の放射エネルギー に対してである。固体ロッドを有するレーザ共振器で、本発明を使用することに より得られる効果は、気体もしくは液体位相の利得媒体を有するレーザにも適用 できる。

本発明は、特別の好ましい実施例を参照して説明したけれど、本発明が属する分 野の通常の者がなしうる種々の変形に対しても適用でき、また本発明の思想並び に範囲から逸脱しないで拡張できる。

Ｆｉｇ、　３ｃ　Ｆｉｇ、　３ｂ 工τ　コニ　π 竹原（ＭＲ） Ｆｉｇ、　７ 国際調査報告 ＡＮＮＥＸ　ＴＣＸｋｉＥ　ＩＮＴＥＲＮＡＴ工０ＮＡＬ　５ＥＡＲＣＨＲＥＰ ＯＲＴ　ＯＮ

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．入射放射線を反射する反射手段を具備し、この反射手段は、最長のディメン ションに沿う長軸を有し、実質的に非反射であり、前記入射放射線に対して実質 的に垂直に配設され、そして入射放射線を受けて、これを透過させる第１の面を 有し； 前記反射手段は、また、全内部反射により、放射線を反射する第２の面を有し； そして 前記反射手段は、さらに前記入射放射線を全内部反射により、導く複数の折返し 面を有する、放射線折返しウエイブガイド。
2. ２．入射放射線を受け、これを入射方向とは、実質的に平行でない方向に導く反 射手段を具備し；この反射手段は、最長のディメンションに沿う長軸を有し、実 質的に非反射であり、前記入射放射線に対して実質的に垂直に配設され、そして 入射放射線を受けて、これを透過させる第１の面を有し； 前記反射手段は、また、全内部反射により、放射線を反射する第２の面を有し； 前記反射手段は、さらに、前記第１の面に対して垂直であり、前記長軸に対して 等しい角度で傾斜しており、全内部反射により、入射放射線を反射する１対の面 を有し；前記反射手段は、また、反射手段が入射放射線の入射偏光状態を維持す るように、同数のＰ形並びにＳ形の反射を果たす、複数の全内部反射地点を有し ；そして前記反射手段は、反射手段が、これの軸を中心とする回動に対して安定 したアライソメントとなるように位置された、前記全内部反射地点を有している 、偏光維持放射線折返し要素。
3. ３．１対の長縁に平行な長軸並びにこれら長縁に直交する１対の横縁を有し、非 反射材がコーテングされ、光束に実質的に垂直に配設され、光束を受けて透過す る第１の６角形内面と； 前記６角形内面と共通の長縁並びに長縁に対して垂直で、第１の６角形内面に対 して４５度傾斜した、１対の横縁を有し、全内部反射により、前記光束を２つの 反射地点で反射するように設けられた第２の矩形面と； 夫々が前記長軸に対して垂直な１対の横端を有し、夫々の内面が前記第２の矩形 面に面するように配設され、前記第１の６角形内面に垂直に隣接し、全内部反射 により、中心の反射地点で前記光束を再反射するように前記長軸に対して４５度 傾斜した同対の矩形面と； 前記第２の矩形面の横縁の一方を別々に共有し、前記第１の６角形内面の横縁を 別々に共有し、そして前記同対の矩形面の横縁の一方を別々に共有する同対の直 角二等辺三角形端面と； 光束の夫々の入射偏光状態を維持するように２つのＰ形反射と２つのＳ形反射と を果たす４つの全内部反射地点と；自身の３軸を中心として回動するために安定 なアライソメントを なすように位置された前記４つの全内部反射地点をと有する、複数の光束を射出 するレーザ共振器に使用される、光束折返し、偏光維持、安定アライソメント、 中間反射プリズム。
4. ４．入射放射線を受け、これを透過するように入射光束に対して垂直は配役され た、実質的非反射面と；第１の、実質的全内部反射手段と； 第２の、実質的全内部反射手段と； 部分反射手段とを具備し； 前記第１の反射手段は、前記非反射面からの入射光束を受け、そして全内部反射 により、入射光束を、前記第にの全内部反射手段に導くように設けられており； 前記第２の全内部反射手段は、前記入射光線を前記第１の全内部反射手段へと戻 し、非反射面を通して、反射アウト・カップル放射線を外に出す複数の屋根反射 面を有し；そして前記部分反射手段は入射光束に対して実質的に垂直に配設され たアウトカップリング面を有する、反射・アウトカップル放射線ウエイブガイド 。
5. ５．第１の横縁、第２ののみ形縁並びにプリズムの最長ディメンションの方向に 伸びた２つの長縁を有し、入射レーザ放射線を受け、これを透過するように入射 レーザ放射線に対して垂直に配置された、５角形の、実質的非反射面と；前記５ 角形の面の良縁に直交する上方横線を有し、５角形の良縁に対して４５度傾斜し た、実質的全内部反射屋根面とを具備し； 前記屋根面と５角形の面とは、また５角形の面の前記第１の横縁の端部に共通の 横縁を有し； 同対の全内部直角ののみ形の屋根面が、前記５角形の第２ののみ形縁の端部に結 合されており； 反射アウトカップリング面レーザからの出力光束に直交するように配設されてお り； ２重端反射プリズムが入射レーザ放射線の入射偏光状態を維持するように、同数 のＰ形並びにＳ形反射を果たす複数の全内部反射地点を有するように設けられ； そしてこの２重端反射プリズムは、また、プリズムが、自身の３軸を中心とする 回動に対して安定であるように、前記全内部反射地点を有する；レーザ共振器の ための反射・アウトカップル、偏光維持、安定アライソメント、２重端反射プリ ズム。
6. ６．特許請求の範囲の第１項に記載の放射線折返しウエイブガイドと； 特許請求の範囲の第４項に記載の反射・アウトカップリング放射線ウエイブガイ ドと； 偏光子と； 電気一光学結晶とを具備するＱスイッチ。
7. ７．特許請求の範囲の第３項に記載の、光束折返し、偏光維持、安定アライソメ ント、中間反射プリズムと；特許請求の範囲の第５項に記載の、反射アウトカッ プル、偏光維持、安定アライソメント、２重端反射プリズムと；偏光子と； 電気一光学結晶と；を具備するＱスイッチ。
8. ８．特許請求の範囲の第６項に記載したＱスイッチと；レーザ利得媒体と； アラインメントウエッジと；を具備する改良されたレーザ共振器の組合わせ。
9. ９．特許請求の範囲の第７項に記載のＱスイッチと；レーザ利得媒体と； アラインメントウエッジと；を具備する改良されたレーザ共振器の組合わせ。